Виды компьютерной графики

Схема.cdw

Модульный скваженный прибор.
Основной модуль и плата телесистемы.
Модульный скваженный прибор.
Основной модуль и плата телесистемы

ПЗ.doc

Виды компьютерной графики . ..5
1 Растровая графика .. . 5
1.1 Форматы файлов растровой графики 8
1.2 Прикладные программы для работы с растровой графикой .10
2 Векторная графика 14
2.1 Форматы файлов векторной графики ..16
2.2 Прикладные программы для работы с растровой графикой .18
3Фрактальная графика .20
3.1 Форматы файлов фрактальной графики .22
3.2 Программы для создания фрактальной графики 24
4 Трехмерная графика 27
4.1 Форматы файлов трехмерной графики 30
4.2 Прикладные программы для работы с трехмерной графикой 31
Практическое применение компьютерной графики в сфере сервиса .34
1 Разработка набора плакатов в CorelDraw X3 по теме «Графический редактор Microsoft Visio 2003» 34
2 Построение чертежа с помощью пакета для инженерной графики КОМПАС 3D LT по индивидуальному заданию 37
Выводы и рекомендации 38
Библиографический список 40
В зависимости от способа формирования изображений компьютерную графику подразделяют на три основных вида растровую векторную и фрактальную.
Отдельным видом 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.
На стыке инновационных технологий зародилась и стремительно развивается сравнительно новая область компьютерной графики компьютерная анимация. Художник создает на экране рисунке начального и конечного положения движущихся объектов все промежуточные состояния рассчитывает и изображает компьютер выполняя расчеты опирающиеся на математическое описание данного вида движения.
Заметное место в разделе компьютерной графике отведено развлечениям. Появилось даже такое понятие как механизм графического представления данных (Graphics Engine). Рынок игровых программ имеет оборот в десятки миллиардов долларов и часто инициализирует очередной этап совершенствования графики и анимации.
Хотя компьютерная графика служит всего лишь инструментом ее структура и методы основаны на передовых достижениях фундаментальных и прикладных наук: математики физики химии биологии статистики программирования и множества других. Поэтому компьютерная графика является одной из наиболее бурно развивающихся отраслей информатики.
Виды компьютерной графики
Первые вычислительные машины не имели отдельных средств для работы с графикой однако уже использовались для получения и обработки изображений. Программируя память первых электронных машин построенную на основе матрицы ламп можно было получать узоры.
В 1961 году программист С. Рассел возглавил проект по созданию первой компьютерной игры с графикой. Создание игры «Spacewar» («Космические войны») заняло около 200 человеко-часов. Игра была создана на машине PDP-1.
В 1963 году американский учёный Айвен Сазерленд 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.
Для того чтобы понять основной принцип растрового метода построения изображения представим тетрадный лист в клеточку каждая клетка которого закрашена в разные цвета это и есть наш массив информации для его описания нужно знать два параметра – положение в пространстве и цвет. А если представить что мы уже закрасили 1000 таких тетрадных листов и смотрим на них с большого расстояния то мы уже не увидим отдельных закрашенных клеточек мы будем воспринимать это как нечто целое именно так формируется растровое изображение или растровая карта (рисунок 1).
Растровое изображение— это изображение представляющее собой сеткупикселейили точек цветов (обычно прямоугольную) на компьютерном мониторе бумаге и других отображающих устройствах и материалах.
Важными характеристиками изображения являются:
количество пикселов -разрешение. Может указываться отдельно количество пикселов по ширине и высоте (1024*768 640*480 ) или же редко общее количество пикселов (часто измеряется в мегапикселах);
количество используемых цветов или глубина цвета (эти характеристики имеют следующую зависимость:N= 2I где N - количество цветов а I - глубина цвета);
цветовое пространство (цветовая модель).
Рассмотрим подробнее каждую из характеристик.
Для растровых изображений состоящих из точек особую важность имеет понятие разрешения выражающее количество точек приходящихся на единицу длины. При этом следует различать: разрешение оригинала; разрешение экранного изображения; разрешение печатного изображения.
Разрешение оригинала. Разрешение оригинала измеряется в точках на дюйм (dots per inch – dpi) и зависит от требований к качеству изображения и размеру файла способу оцифровки и создания исходной иллюстрации избранному формату файла и другим параметрам. В общем случае действует правило: чем выше требование к качеству тем выше должно быть разрешение оригинала.
Разрешение экранного изображения. Для экранных копий изображения элементарную точку растра принято называть пикселом. Размер пиксела варьируется в зависимости от выбранного экранного разрешения (из диапазона стандартных значений) разрешение оригинала и масштаб отображения.
Мониторы для обработки изображений с диагональю 20–21 дюйм (профессионального класса) как правило обеспечивают стандартные экранные разрешения 640х480 800х600 1024х7681280х10241600х12001600х1280 1920х1200 1920х1600 точек. Расстояние между соседними точками люминофора у качественного монитора составляет 022–025 мм.
Для экранной копии достаточно разрешения 72 dpi для распечатки на цветном или лазерном принтере 150–200 dpi для вывода на фотоэкспонирующем устройстве 200–300 dpi. Установлено эмпирическое правило что при распечатке величина разрешения оригинала должна быть в 15 раза больше чем линиатура растра устройства вывода. В случае если твердая копия будет увеличена по сравнению с оригиналом эти величины следует умножить на коэффициент масштабирования.
Разрешение печатного изображения и понятие линиатуры. Размер точки растрового изображения как на твердой копии (бумага пленка и т. д.) так и на экране зависит от примененного метода и параметров растрирования оригинала. При растрировании на оригинал как бы накладывается сетка линий ячейки которой образуют элемент растра. Частота сетки растра измеряется числом линий на дюйм (lines per inch – Ipi) и называется линиатурой.
Размер точки растра рассчитывается для каждого элемента и зависит от интенсивности тона в данной ячейке. Чем больше интенсивность тем плотнее заполняется элемент растра. То есть если в ячейку попал абсолютно черный цвет размер точки растра совпадет с размером элемента растра. В этом случае говорят о 100% заполняемости. Для абсолютно белого цвета значение заполняемости составит 0%. На практике заполняемость элемента на отпечатке обычно составляет от 3 до 98%. При этом все точки растра имеют одинаковую оптическую плотность в идеале приближающуюся к абсолютно черному цвету. Иллюзия более темного тона создается за счет увеличения размеров точек и как следствие сокращения пробельного поля между ними при одинаковом расстоянии между центрами элементов растра. Такой метод называют растрированием с амплитудной модуляцией (AM).
1.1 Форматы файлов растровой графики.
Формат *.PCX стал первым стандартным форматом графических файлов для хранения файлов растровой графики в компьютерах IBM PC. В дальнейшем формат был преобразован в Windows Paintbrush и начал распространяться с Windows. Хотя область применения этого популярного формата сокращается файлы формата PCX которые легко узнать по расширению PCX все еще широко распространены сегодня.
Формат *.GIF. Большинство ведущих специалистов-графиков имеющих дело с алгоритмом LZW сталкиваются с аналогичными юридическими проблемами при использовании популярного межплатформенного формата файлов растровой графики GIF (Graphics Interchange Format - формат обмена графическими данными произносится "джиф") разработанного компанией CompuServe. Обычно для имени файлов GIF используется расширение GIF и тысячи таких файлов можно получить в CompuServe.
Основные достоинства GIF заключаются в широком распространении этого формата и его компактности. Но ему присущи два достаточно серьезных недостатка. Один из них состоит в том что в изображениях хранящихся в виде GIF-файла не может быть использовано более 256 цветов. Второй возможно еще более серьезный заключается в том что разработчики программ использующие в них форматы GIF должны иметь лицензионное соглашение с CompuServe и вносить плату за каждый экземпляр программы.
Формат *.PNG (Portable Network Graphic - переносимый сетевой формат) был разработан для замены GIF чтобы обойти юридические препятствия стоящие на пути использования GIF-файлов. PNG унаследовал многие возможности GIF и кроме того он позволяет хранить изображения с истинными цветами. Еще более важно что он сжимает информацию растрового массива в соответствии с вариантом пользующегося высокой репутацией алгоритма сжатия LZ77 (предшественника LZW) которым любой может пользоваться бесплатно. Из-за недостатка места я не буду обсуждать внутреннюю структуру PNG. Если вы захотите больше узнать об этом формате обратитесь к рекомендуемой в конце статьи литературе.
Формат *.JPEG (Joint Photographic Experts Group - объединенная экспертная группа по фотографии) был разработан компанией C-Cube Microsystems как эффективный метод хранения изображений с большой глубиной цвета например получаемых при сканировании фотографий с многочисленными едва уловимыми (а иногда и неуловимыми) оттенками цвета. Самое большое отличие формата JPEG от других рассмотренных здесь форматов состоит в том что в JPEG используется алгоритм сжатия с потерями (а не алгоритм без потерь) информации. Алгоритм сжатия без потерь так сохраняет информацию об изображении что распакованное изображение в точности соответствует оригиналу. При сжатии с потерями приносится в жертву часть информации об изображении чтобы достичь большего коэффициента сжатия. Распакованное изображение JPEG редко соответствует оригиналу абсолютно точно но очень часто эти различия столь незначительны что их едва можно (если вообще можно) обнаружить.
При сжатии методом JPEG потери информации происходят на втором шаге процесса. Чем больше значения в матрице квантования тем больше отбрасывается информации из изображения и тем более плотно сжимается изображение. Компромисс состоит в том что более высокие значения квантования приводят к худшему качеству изображения.
1.2 Прикладные программы для работы с растровой графикой
Компьютерные программы для работы с растровой графикой настолько многочисленны и разнообразны что перечислить их все невозможно. Программы для работы с растровой графикой делятся на три группы которые перечисляются ниже. Каждый пользователь подбирает для себя программы для работы с растровой графики по своему вкусу. Программы для работы с растровой графикой выпускаются производителями как отдельно так и в составе графических пакетов в которых есть программы для работы с растровой и векторной графикой.
Ряд графических редакторов например Painter и Fauve Matisse ориентирован непосредственно на процесс рисования. В этих программах акцент сделан на использование удобных инструментов рисования и на создание новых художественных инструментов и материалов. К простейшим программам относится графический редактор Paint.
Corel Painter— программа предназначенная дляцифровой живописии рисунка. С помощьюграфического планшета художник может работать с виртуальными инструментами в этой программе так же легко как и с обычными карандашом или кистью (рисунок 2).
Fauve Matisse. Отличительной особенностью Fauve Matisse является возможность работы собъектами вкачестве которых может использоваться любая стандартная фигура выделенная область изображения илитекст.
Каждый объект размещается всвоем слое иможет независимо обрабатываться спомощью фильтров инструментов искажения формы вращаться наклоняться ит.п.Кроме того объекты могут группироваться длясовместной обработки накладываться друг надруга вразличных режимах ис регулируемой прозрачностью перемещаться вслоях имежду слоями выравниваться относительно друг друга илиотносительно окна изображения совмещаться сфоновым изображением атакже передаваться другим приложениям Windows (рисунок 3).
Другой класс растровых графических редакторов предназначен не для создания растровой графики «с нуля» а для обработки готовых рисунков с целью улучшения их качества и реализации творческих идей. К таким программам в частности относятся Adobe Photoshop Photostyler Picture Publisher и другие компьютерные программы.
Так же существуют программы для обработки растровой графики в которых предоставлен ряд инструментов и эффектов для обработки растровых изображений. Исходный материал для обработки в программе может быть получен разными путями: сканированием цветной иллюстрации загрузкой изображения созданного в другом редакторе или вводом изображения с цифровой фото- или видеокамеры.
Adobe Photoshop—графический редактор разработанный и распространяемый фирмойAdobe Systems. Этот продукт является лидером рынка в области коммерческих средств редактирования растровыхизображений и наиболее известным продуктом фирмы Adobe (рисунок 4). Несмотря на то что изначально программа была разработана для редактирования изображений для печати на бумаге в данное время она широко используется ввеб-дизайне.
Одним из видов программ для работы с растровой графикой являются программы каталогизации растровой графики. Эти программы позволяют просматривать графические растровые файлы множества различных форматов создавать на жестком диске удобные альбомы перемещать и переименовывать файлы документировать и комментировать иллюстрации. Очень удобной программой этого класса считается программа ACDSee. В системе Windows 95 для этих целей служит стандартная программа "Просмотр рисунков". В систему Windows 98 в качестве стандартной введена ее более мощная версия — Imaging. В современных операционных системах эта программа является интегрированной и совершенствуется вместе с ней.
ACDSee—условно-бесплатнаяпрограмма для просмотра и организации изображений дляMicrosoft Windows. Содержит многочисленные инструменты для обработки изображений в том числе и пакетной. В последних версиях имеет два режима просмотра: быстрый и полный (рисунок 5).
2. Векторная графика
Изначально человеческий глаз воспринимает изображение подобно растровому образу. Картинка проецируется на сетчатку состоящую из отдельных реагирующих на свет клеток. Далее система глаз-мозг распознаёт в изображении отдельные объекты геометрические фигуры которые уже легче обрабатывать и запоминать.
В отличие от растровой графики в векторной графике изображение строится с помощью математических описаний объектов окружностей и линий. Хотя на первый взгляд это может показаться сложнее чем использование растровых массивов но для некоторых видов изображений использование математических описаний является более простым способом.
Ключевым моментом векторной графики является то что она использует комбинацию компьютерных команд и математических формул для объекта. Это позволяет компьютерным устройствам вычислять и помещать в нужном месте реальные точки при рисовании этих объектов. Векторную графику часто называют объектно-ориентированной графикой или чертежной графикой.
Векторная графика(другое название — геометрическое моделирование) — это использование геометрических примитивов таких как точки линии сплайны и полигоны для представления изображений в компьютерной графике. Термин используется в противоположность к растровой графике которая представляет изображения как матрицу пикселей (точек).
Простые объекты такие как окружности линии сферы кубы и тому подобное называется примитивами и используются при создании более сложных объектов. В векторной графике объекты создаются путем комбинации различных объектов. Для создания объектов примитивов используются простые описания. Прямая линия дуги окружности эллипсы и области однотонного или изменяющегося света - это двухмерные рисунки используемые для создания детализированных изображений. В трехмерной компьютерной графике для создания сложных рисунков могут использоваться такие элементы как сферы кубы. Команды описывающие векторные объекты большинству пользователей возможно никогда не придется увидеть. Определять как описывать объекты будет компьютерная программа которая используется для подготовки векторных объектов. Для создания векторных рисунков необходимо использовать один из многочисленных иллюстрационных пакетов.
Программы векторной графики способны создавать растровые изображения в качестве одного из типов объектов. Это возможно потому что растровый рисунок просто набор инструкций для компьютера и так как инструкции эти очень просты то векторная графика способна воспринимать растровые изображения наравне с остальными объектами хотя можно поместить растровые изображения в виде объекта векторном формате но не удается отредактировать и изменить в нем отдельные пикселы.
Линия – элементарный объект векторной графики. Как и любой объект линия обладает свойствами: формой (прямая кривая) толщиной цветом начертанием (сплошная пунктирная). Линия описывается математически как единый объект и потому объем данных для отображения объекта средствами векторной графики существенно меньше чем в растровой графике.
Замкнутые линии приобретают свойство заполнения. Охватываемое ими пространство может быть заполнено другими объектами (текстуры карты) или выбранным цветом. Простейшая незамкнутая линия ограничена двумя точками именуемыми узлами. Узлы также имеют свойства параметры которых влияют на форму конца линии и характер сопряжения с другими объектами. Все прочие объекты векторной графики составляются из линий. Например куб можно составить из шести связанных прямоугольников каждый из которых в свою очередь образован четырьмя связанными линиями. Возможно представить куб и как двенадцать связанных линий образующих ребра.
2.1 Форматы файлов векторной графики
Формат *.ai. Векторный формат файлов создаваемых программой Adobe Illustrator. Формат ai каждой новой версии несовместим с более старыми версиями. Формат обеспечивает очень высокое качество рисунков но по ряду параметров плохо совместим с другими программами (например различные эффекты Adobe Illustrator и градиентная заливка могут не передаваться в другие форматы).
Формат *.cdr. Векторный формат файлов создаваемых программой CorelDraw. Формат cdr каждой новой версии несовместим с более старыми версиями. Формат обеспечивает очень высокое качество рисунков но по ряду параметров плохо совместим с другими программами (например различные эффекты CorelDraw и градиентная заливка могут не передаваться в другие форматы).
Формат *.cmx. Corel Presentation Exchange - формат графических программ корпорации Corel предназначенный для передачи рисунков между разными программами. Формат поддерживается начиная с версии CorelDraw 6.
Формат *.eps. Относительно универсальный векторный формат файлов поддерживаемый большинством векторных редакторов - CorelDraw Adobe Illustrator Macromedia FreeHand и различными узкоспециализированными программами (для плоттерной резки гравировки выжигания на дереве и т.д.).
Форматы *.fla *.fh. Исходные Flash-файлы создаются в Adobe Flash (бывший Macromedia Flash).
Формат *.swf. Flash-формат который может просматриваются с помощью Flash Player устанавливамый как plugin в браузер.
Формат *.wmf. Windows Metafile — графический формат файла в системе Microsoft Windows. Универсальный векторный формат поддерживаемый большинством векторных редакторов. К сожалению формат не обеспечивает высокое качество для сложных рисунков и имеет очень ограниченное число поддерживаемых эффектов поэтому для профессионального использования не подходит и используется преимущественно частными пользователями. Формат поддерживается рядом веб-браузеров и может быть использован при оформлении веб-страниц.
2.2 Прикладные программы для работы с растровой графикой
Программы векторной графики предназначены для работы с изображениями которые формируются из математических объектов. В английской терминологии такие приложения как правило именуются Drawing (реже Illustration) Application.
В области векторных программ известны три основных разработчика программного обеспечения.
Компания Adobe которая является автором стандарта компьютерной графики и полиграфии — языка PostScript разработала и продвигает программу Illustrator (рисунок 6).
Компания Macromedia приобрела у известной фирмы Aldus программу FreeHand которую весьма успешно развивает (рисунок 7).
Компания Corel известна своей программой CorelDRAW которая нашла очень широкое распространение в мире и в нашей стране. У этой программы есть яростные поклонники и столь же непримиримые противники но нельзя отрицать что очень многие ставшие привычными функции и эффекты впервые появились в этой программе (рисунок 8).
3 Фрактальная графика
Фрактальная геометрия появилась несколько десятилетий назад в результате сотрудничества математиков ипрограммистов. Оказалось что компьютер можно применять для визуализации сложных геометрических иалгебраических структур которые отличаются уникальным свойством: отдельные участки их узора повторяют очертания всей картины в целом. Поэтомуфрагмент фрактального изображения поддается увеличению добесконечности при этом перед глазами зрителя предстают всеновые и новые конструкции.
Хотя системы уравнений используемые для построения фрактальных графиков позволяют создавать многомерные структуры чисто утилитарный подход к использованию фракталов как инструмента графического дизайна вполне обходится двумя измерениями а также алгоритмами расчета градиентных переходов внутри изображения. Сама по себе разработка исходных математических формул способных при визуализации порождать интересные с точки зрения художника эффекты является скорее делом специалистов хотя с помощью современных программ любой пользователь сумеет если не создать собственное нелинейное множество то по крайней мере творчески видоизменить любое из известных (рисунок 8).
Возможности фракталов широко используются не только в художественной графике. При помощи фрактальных функций часто описывают свойства сложных природных объектов: турбулентных потоков географических ландшафтов и т.п. Более того фракталы нашли применение даже в финансовом анализе и в других прикладных дисциплинах. Однако поистине всемирную известность им принесли труды компьютерных художников вооруженных мощными программными средствами визуализации и обработки изображений.
Следует сразу отметить что фрактальные графики как таковые нельзя назвать произведением искусства. Путем перебора огромного множества итераций с помощью тонкой настройки параметров функций и характеристик градиентной заливки цифровым художникам зачастую удается найти настолько завораживающие картины что они способны надолго приковать внимание зрителя. Но за красивой формой фрактала не скрывается никакого содержания (кроме конечно же набора математических формул) а стало быть художественная ценность такого произведения ничтожно мала
В умелых руках дизайнера эти чудесные машинные орнаменты превращаются в мощный инструмент позволяющий придать компьютерной графике уникальный колорит и подчеркнуть общий композиционный замысел. Как правило фракталы используются в качестве фона или эффектного слоя при создании коллажей оформительских работ и даже рекламных публикаций. Кроме применения в традиционной двумерной компьютерной графике они широко распространены и в сфере 3D. С помощью фракталов там создаются текстуры: карты светоотражения прозрачности и даже рельефа поверхности.
3.1 Форматы файлов фрактальной графики
Файлы фрактальных изображений имеют расширение *.fif. При помощи фракталов можно сжимать произвольные изображения с некоторой потерей качества аналогично сжатию JPEG. Правда фрактальное сжатие дает лучшие результаты. Методы компрессии основанные на RLE Huffman или LZW не учитывают природы сжимаемых данных и поэтому дают неудовлетворительные результаты при обработке изображений. При фрактальном сжатии изображение переводится в формат IFS который значительно экономнее чем просто BITMAP или LZW.
Сжатие JPEG основано на дискретном синусно-косинусном преобразовании (дискретное преобразование Фурье) которое переводит изображение в амплитудно-фазовую форму. Искажения в области высоких частот не сильно влияют на качество исходных изображений поэтому их частично отбрасывают а частично фильтруют НЧ-фильтром с последующим сжатием при помощи RLE и тому подобных методов. Поэтому метод JPEG дает плохие результаты на изображениях содержащих тонкие линии (текст или чертежи). Для того чтобы получить прямоугольный сигнал а тонкая лини именно таким сигналом и является необходимо использовать область высоких частот которые в нашем случае фильтруются подвергаясь при этом искажению.
Основная проблема фрактального сжатия - это то что компрессия-декомпресси производится быстро и однозначно в то время как прямая процедура требует от машины больших интеллектуальных возможностей. Правильное сжатие - это серьезная задача решение которой можно найти в науке о распознавании образов.
Сжатие происходит следующим образом. Изображение разбивается на части множеством R и покрывается множеством D. Причем элементы множества D больше по площади чем R. Для каждого элемента Ri перебираются все элементы множества D и строится аффинное преобразование R(i) -> D(j). Из всех преобразований выбирается одно которое происходит с наименьшей погрешностью.
Разбиение на R и покрытие D являются самой сложной частью алгоритма. В простейшем случае это делается так: изображение разбивают регулярной сеткой R(i) по 8 x 8 пикселов. Для каждого R(i) перебирают все возможные D(j) по 16 x 16 (причем есть 8 вариантов для каждого квадрата - 4 поворота на 90º и зеркальная симметрия). Для каждого R(i) вводят свое лучшее преобразование а потом ищут минимальное покрытие исходного изображения из имеющихся D(j). Оставляют только те преобразования которые нужны для минимального покрытия.
Декомпрессия производится следующим образом. Выбирают начальное изображение из которого будут строить оригинал. Самое удивительное что от выбора начального изображения меняется только скорость стабилизации изображения то есть врем декомпрессии. К каждому элементу множества R (то есть квадрату 8x8 из инициатора) применяют случайно выбранное аффинное преобразование из имеющейся системы функций. В результате такого действия элементы изображения копируются в другие части экрана с изменением ориентации яркости и контраста. После того как все R(i) перебраны начинаем все сначала. По теореме о системе сжимающих аффинных преобразований изображение будет стремиться к стабильности.
При компрессии можно не сохранять оригинальные размеры изображения достаточно просто запомнить их соотношение. А при декомпрессии - задавать те размеры которые нам больше подходят. Такая возможность позволяет решить задачу экстраполяции исходного изображения. При установке новых размеров превышающих старые в новое изображение добавятся элементы подобные другим элементам изображения. И если обрабатывается природный объект (например гранитный камень) то подмена не будет заметна.
3.2 Программы для создания фрактальной графики
Создатель фракталов — это художник скульптор фотограф изобретатель и ученый в одном лице. Вы сами задаете форму рисунка математической формулой исследуете сходимость процесса варьируя его параметры выбираете вид изображения и палитру цветов то есть творите рисунок «с нуля». В этом одно из отличий фрактальных графических редакторов от прочих графических программ.
Art Dabbler. Этот редактор (созданный фирмой Fractal Design а теперь принадлежащий Corel) фактически представляет собой усеченный вариант программы Painter. Это отличная программа для обучения не только компьютерной графике но прежде всего азам рисования. Малый объем требуемой памяти а также простой интерфейс доступный даже ребенку позволяют использовать его в школьной программе. Как и растровый редактор MS Paint фрактальный редактор Art Dabbler особенно эффективен на начальном этапе освоения компьютерной графики (рисунок 9).
Ultra Fractal - лучшее решение для создания уникальных фрактальных изображений профессионального качества. Пакет отличается дружественным интерфейсом и сопровождается невероятно подробной и прекрасно иллюстрированной документацией с серией туториалов в которых поэтапно рассматриваются все аспекты работы с программой. Ultra Fractal представлен двумя редакциями: Standard Edition и расширенной Animation Edition возможности которой позволяют не только генерировать фрактальные изображения но и создавать анимацию на их основе (рисунок 10).
Fracta *.fr *.fr3 *.fr4 и др.).
Генерация фракталов возможна двумя способами - на основе базовых фрактальных изображений построенных по входящим в поставку формулам или с нуля (рисунок 11).
По мимо рассмотренных программных средств существует еще множество приложений для работы с фрактальной графикой таких как ChaosPro Apophysis Mystica и многие другие.
Фрактальные изображения применяются в самых разных сферах начиная от создания обычных текстур и фоновых изображений и кончая фантастическими ландшафтами для компьютерных игр или книжных иллюстраций. Создаются фрактальные изображения путем математических расчетов. Базовым элементом фрактальной графики является сама математическая формула - это означает что никаких объектов в памяти компьютера не хранится и изображение строится исключительно на основе уравнений.
4. Трехмерная графика
Трехмерная графика нашла широкое применение в таких областях как научные расчеты инженерное проектирование компьютерное моделирование физических объектов. В качестве примера рассмотрим наиболее сложный вариант трехмерного моделирования – создание подвижного изображения реального физического тела.
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;
–задать траектории движения объектов;
–рассчитать результирующую последовательность кадров;
–наложить поверхностные эффекты на итоговый анимационный ролик.
Для создания реалистичной модели объекта используют геометрические примитивы (прямоугольник куб шар конус и прочие) и гладкие так называемые сплайновые поверхности. В последнем случае применяют чаще всего метод бикубических рациональных В-сплайнов на неравномерной сетке (NURBS). 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.
После формирования “скелета” объекта необходимо покрыть его поверхность материалами. Все многообразие свойств в компьютерном моделировании сводится к визуализации поверхности то есть к расчету коэффициента прозрачности поверхности и угла преломления лучей света на границе материала и окружающего пространства.
Закраска поверхностей осуществляется методами Гуро (Gouraud) или Фонга (Phong). В первом случае цвет примитива рассчитывается лишь в его вершинах а затем линейно интерполируется по поверхности. Во втором случае строится нормаль к объекту в целом ее вектор интерполируется по поверхности составляющих примитивов и освещение рассчитывается для каждой точки.
Свет уходящий с поверхности в конкретной точке в сторону наблюдателя представляет собой сумму компонентов умноженных на коэффициент связанный с материалом и цветом поверхности в данной точке. К таковым компонентам относятся:
–свет пришедший с обратной стороны поверхности то есть преломленный свет (Refracted);
–свет равномерно рассеиваемый поверхностью (D
–зеркально отраженный свет (Ref
–блики то есть отраженный свет источников (Specu
–собственное свечение поверхности (Self Illumination).
Следующим этапом является наложение (“проектирование”) текстур на определенные участки каркаса объекта. При этом необходимо учитывать их взаимное влияние на границах примитивов. Проектирование материалов на объект – задача трудно формализуемая она сродни художественному процессу и требует от исполнителя хотя бы минимальных творческих способностей.
После завершения конструирования и визуализации объекта приступают к его “оживлению” то есть заданию параметров движения. Компьютерная анимация базируется на ключевых кадрах. В первом кадре объект выставляется в исходное положение. Через определенный промежуток (например в восьмом кадре) задается новое положение объекта и так далее до конечного положения. Промежуточные значения вычисляет программа по специальному алгоритму. При этом происходит не просто линейная аппроксимация а плавное изменение положения опорных точек объекта в соответствии с заданными условиями.
Процесс расчета реалистичных изображений называют рендерингом (визуализацией). Большинство современных программ рендеринга основаны на методе обратной трассировки лучей (Backway Ray Tracing). Применение сложных математических моделей позволяет имитировать такие физические эффекты как взрывы дождь огонь дым туман. По завершении рендеринга компьютерную трехмерную анимацию используют либо как самостоятельный продукт либо в качестве отдельных частей или кадров готового продукта.
Особую область трёхмерного моделирования в режиме реального времени составляют тренажеры технических средств – автомобилей судов летательных и космических аппаратов. В них необходимо очень точно реализовывать технические параметры объектов и свойства окружающей физической среды. В более простых вариантах например при обучении вождению наземных транспортных средств тренажеры реализуют на персональных компьютерах.
Самые совершенные на сегодняшний день устройства созданы для обучения пилотированию космических кораблей и военных летательных аппаратов. Моделированием и визуализацией объектов в таких тренажерах заняты несколько специализированных графических станций построенных на мощных RISC-процессорах и скоростных видеоадаптерах с аппаратными ускорителями трехмерной графики. Общее управление системой и просчет сценариев взаимодействия возложены на суперкомпьютер состоящий из десятков и сотен процессоров. Стоимость таких комплексов выражается девятизначными цифрами но их применение окупается достаточно быстро так как обучение на реальных аппаратах в десятки раз дороже.
4.1 Форматы файлов трехмерной графики
Формат *.X — формат файла для хранения 3D объектов созданный компанией Microsoft. Этот формат хранит информацию о геометрии 3D объекта (координаты вершин и координаты нормалей) текстурные координаты описание материалов пути и названия к текстурам которые используются. Хранится иерархия объектов хранится анимация и хранятся привязки вершин к «костям» с описанием весов. В X файле может отсутствовать какая-либо информация об объекте (например в X файле могут содержаться только координаты вершин).
Формат *.U3D (Universal 3D) — универсальный формат трехмерной графики. Более тридцати крупных разработчиков среди которых присутствуют такие всемирно известные компании как Adobe Boeing и Intel объявили о планах по созданию универсального формата файлов трехмерной графики. Новый формат уже названный Universal 3D (U3D) в будущем будет утвержден международной организацией по стандартам ISO.
Формат *.OBJ — это простой формат данных который содержит только 3D геометрию а именно позицию каждой вершины связь координат текстуры с вершиной нормаль для каждой вершины а также параметры которые создают полигоны.
Формат *.max — это compound storage т.е. пакет внутри которого находится целая файловая система с файлами и каталогами программы 3D Studio MAX который реализуется в Windows.
Существует множество прикладных пакетов для работы с трехмерной графикой и каждый из них имеет свой собственный уникальный формат.
4.2 Прикладные программы для работы с трехмерной графикой
Существует довольно большое количество самых разных программ для работы с 3D графикой. Так одной из популярных программ которые специально разработаны для создания трехмерной графики и дизайна интерьеров является программа3D Studio MAX. Она позволяет реалистично визуализировать объекты самой разной сложности. Кроме того «3D Studio MAX» дает возможность компоновать их задавать траектории перемещений и в конечном итоге даже создавать полноценное видео с участием трехмерных моделей. Хотя такая работа конечно же требует у специалиста серьезных навыков а также больших компьютерных ресурсов в первую очередь объемов памяти и быстродействие процессора (рисунок 12).
Другой широко используемой программой являетсяAutoCAD. Она также используется для трехмерного моделирования и визуализации профессионального архитектурно-строительного проектирования постоянно дополняется новыми возможностями. Довольно большое количество программ могут быть интегрированы с базовым ядром «AutoCAD» (рисунок 13).
Adobe Dimensions. Мощный инструмент 3D-рендеринга. Dimensions поможет вам добавить света и глубины в двухмерную работу. Это первая 3D программа позволяющая получать как растр так и файлы в формате PostScript. Dimensions легка для изучения так как она использует те же самые инструменты и клавиатурные сокращения что и другие программы Adobe (рисунок 14).
Carrara Studio. Один из самых мощных редакторов трехмерной графики среднего класса. В то же время по возможностям и совокупности имеющихся средств моделирования анимации и качества рендеринга этот программный продукт вполне может быть отнесен к Hi-End. Можно создать любой объект от самого простого до самого сложного (сложные поверхности цветок автомобиль пейзаж виртуальный взрыв вспышки фонтаны салюты модель человека) (рисунок 15).
Практическое применение компьютерной графики в сфере сервиса
1 Разработка набора плакатов в CorelDraw X3 по теме «Графический редактор Microsoft Visio 2003»
Для создания плакатов использовался программный продукт Corel DRAW X5. На сегодняшний день это один из самых универсальных и известных программных продуктов.
Как и в любом другом продукте для работы с графикой основной элемент графического интерфейса Corel DRAW - Панель инструментов. Одним из наиболее важных инструментов является стрелочка находящаяся на панели Toolbox (инструменты) и называющаяся Pick Tool (выбор) (рисунок 16).
При создании плакатов по теме «Графический редактор Microsoft Visio 2003» использовались следующие специальные эффекты:
–Инструмент Interactive Fill (Интерактивная заливка) создает градиентные заливки любого типа включая и специальные.
Самым распространенным видом градиентной заливки является линейная заливка. Линейная градиентная заливка представляет собой как бы заполнение любой замкнутой фигуры по определенному методу вне зависимости от ее формы. Этот метод состоит в том что при создании этой заливки вы определяете начало и конец некого отрезка прямой и два цвета. После этой операции в начале отрезка у вас остается первый выбранный цвет в конце второй а между ними цвет перетекает из одного в другой (рисунок 17).
Квадратная градиентная заливка представляет собой перетекание цвета из одного в другой как бы по квадратам.
–Функция Fit Text to Path (Текст вдоль кривой) позволяет размещать текст вдоль заданной траектории. Она устанавливает динамическую связь между текстом и произвольной кривой таким образом что текст следует всем изгибам данной кривой. Слова "динамическая связь" означают что текстовая строка прикрепляется к траектории и взаимное положение строки и кривой не изменяется даже в том случае если текст или кривая модифицируются (рисунок 18).
Программа позволяет экспортировать изображения во все форматы используемые в Internet включая те из них которые возможно будут применяться в будущем например PNG (Portable Network Graphics) и WI (Wavelet). При экспортировании в формат JPEG можно заранее определить размер не только самого изображения но и размер создаваемого файла а при экспортировании в формат GIF есть возможность задать прозрачную область для любого цвета используемого в изображении что обеспечивает дополнительную гибкость в графике. Для графики предназначенной для экранного просмотра (например на Web-страничках) рекомендуется использовать разрешение изображения 72—75 dpi (точек на дюйм) т. к. при этом не происходит потери качества. В случае если вы экспортируете в формат GIF рисунок предназначенный для отображения на белом фоне полезно использовать эффект сглаживания (Anti-aliasing) предусмотренный в диалоге Export.
2 Построение чертежа с помощью пакета для инженерной графики КОМПАС 3D LT по индивидуальному заданию
КОМПАС 3D – это приложение многодокументного интерфейса (Multiple Document Interface MDI). Приложения MDI позволяют открывать несколько файлов (документов) одновременно а также использовать для отображения данных одного документа несколько представлений (отдельных окон).
Главное окно приложения КОМПАС состоит из нескольких элементов одним из основных которой является панель инструментов.
Панель инструментов – наиболее важный и часто используемый элемент интерфейса. Она объединяет панели инструментов предназначенные для создания и редактирования моделей чертежей или элементов спецификаций. Состав компактной панели зависит от типа документа с которым работает пользователь.
Рассмотрим возможности панели инструментов для разных типов документов (рисунок 19).
Рисунок 19 – Компактная панель инструментов
В состав этой панели входят панели инструментов для создания и редактирования геометрических объектов оформления чертежей для параметрического черчения и пр.
Для построения различных объектов воспользуемся панелью геометрия. В данной панели можно создавать различные лини фигуры кривые заштриховки (рисунок 20).
В панели обозначения есть инструмент который называется ввод текста. Он служит для создания текстовых надписей на чертеже или фрагменте. При оформлении текста вы можете выбирать любой шрифт устанавливать междустрочный и междусимвольный интервалы задавать выравнивание текста вставлять в текст различные символы спецзнаки использовать дроби верхниенижние индексы и пр. Все перечисленные параметры настраиваются на панели свойств (рисунок 21).
Рисунок 20 – Ввод текста в программе КОМПАС 3D
Выводы и рекомендации
Можно сделать вывод что компьютерная графика не стоит на месте. Уже давно существуют многочисленные программные и аппаратные реализации алгоритмов построения изображения. На рынке достаточно широко представлены всевозможные графические акселераторы и массивы быстрой памяти. Ведущие производители электронных компонентов поддерживают обработку изображения на уровне процессорной техники (MMX – Intel 3D Now – AMD) следовательно становится возможным реализация «медленных» но дающих лучшее качество изображения алгоритмов. Отдельно следует отметить такое явления как виртуальная реальность которая уже в настоящее время получает широкое распространение.
Каждый из видов компьютерной графики имеет свои преимущества и недостатки пользуется определенным спросом среди пользователей и развивается с течением времени.
Компьютерная графика на данный момент является одним из наиболее быстро и глубоко развивающихся направлений в сфере программных продуктов. Множество пакетов для работы с компьютерной графикой обеспечивают высокий уровень усвоения всех новых навыков по работе с КГ. Но с каждым годом их количество и качество неизменно возрастает поэтому вырастает и количество людей занимающихся компьютерной графикой. Одним словом компьютерная графика будет развиваться до тех пор – пока будет развиваться и совершенствоваться компьютерная техника.
Библиографический список
Симонович С.В. Информатика: Базовый курс[Текст] Симонович С.В. и др. – СПб.: Питер 2001. – 640 с.: ил.
Макаровой И.В. Информатика: Практикум по технологии работы на компьютере 2-е издание[Текст] Макаровой И.В. – М.: Финансы и статистика 1998. – 950 с.: ил.
Порев В.Н. Компьютерная графика[Текст] Порев В.Н. – СПб.: БХВ-Петербург 2002. – 428 с.: ил
Божко А.Н. Жук Д.М. Маничев В.Б. Компьютерная графика[Текст] Божко А.Н. Жук Д.М. Маничев В.Б. – М.: МГТУ им.Баумана 2007. – 418 с.:ил.

Анотация.docx

В данной курсовой работе раскрыта тема: «Разделы компьютерной графики и ее практическое применение в сфере сервиса». В теоретическом исследовании рассмотрены три основных вида компьютерной графики:
Фрактальная графика.
Так же рассмотрен такой вид компьютерной графики как трехмерная графика.
Курсовая работа выполнена на 45 листах формата А4 содержит 20 рисунков 2 приложения на 4 стр. Вся пояснительная записка оформлена в соответствии с ГОСТ.
Графическая часть курсовой работы выполнена в графическом редакторе CorelDraw X5 и в программе КОМПАС 3D LT v12 и полностью соответствует индивидуальному заданию.