Компьютерная графика. Лекции

Надежда Николаевна Василюк
Доцент кафедры информационных технологий

[e-mail]
Группа «Вконтакте»
https://vk.com/public210148277

7 лекций + 14 практических занятий = выполнение лабораторных работ и теоретическая часть (100 баллов)

Контрольные точки

Оценивание КТ
КТ1 = входное тестирование
КТ2 = выполнение заданий в Inkscape + зачетное задание
КТ3 = выполнение заданий в GIMP + зачетное задание
КТ4 = выполнение заданий в SketchUP и Blender + зачетное задание
КТ5 = доклады (3) + ответы на вопросы на лекциях (или тест и практические задания на экзамене)

Учебные пособия и ПО
Ресурсы сети Интернет
Inkscape
GIMP
SketchUP
Blender

Входное тестирование
https://docs.google.com/forms/d/e/1FAIpQLScvCiBN0jwBZ5XICm4hc8idOBmgihxvNVkbhytvS5nA5cZvAw/viewform

Введение в компьютерную графику
Лекция 1

Компьютерная графика (КГ)
отрасль знаний, представляющая комплекс аппаратных и программных средств, используемых для формирования, преобразования и выдачи информации в визуальной форме на средства отображения ЭВМ;
совокупность методов и приемов для преобразования при помощи ЭВМ данных в графическое представление или графического представления в данные.

Конечный продукт КГ - изображение (графическая информация).
Изображение можно разделить на:
1. Рисунок – графическая форма изображения, в основе которой лежит линия.
2. Чертеж – это контурное изображение проекции некоторых реально существующих или воображаемых объектов.
3. Картина – тоновое черно-белое или цветное изображение.

Самая важная функция ЭВМ – обработка информации
В случае КГ – обработка информации, связанной с изображениями.
Разделяется на 3 направления:
визуализация;
обработка;
распознавание изображений.

Визуализация
создание изображения на основе описания (модели) некоторого объекта

Существует множество методов и алгоритмов визуализации.
Отличия: зависимость от того, что и как должно быть отображено, например:
график функции,
диаграмма,
схема,
карта,
имитация 3D реальности – изображения сцен в компьютерных играх, фильмах, тренажерах, системах архитектурного проектирования.

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

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

Примеры обработки изображений:
повышение контраста, четкости;
коррекция цветов;
редукция цветов;
сглаживание;
уменьшение шумов и т. д.

Материал для обработки:
любительские фотографии;
космические снимки;
отсканированные изображения;
радиолокационные, инфракрасные изображения и т. п.

Методы обработки изображения могут существенно различаться в зависимости от того, каким путем оно получено:
синтезировано системой КГ,
получено в результате оцифровки черно-белой или цветной фотографии.

Задачи обработки изображений:
улучшение в зависимости от определенного критерия (реставрация, восстановление);
специальное преобразование, кардинально изменяющее изображение (обработка изображений может быть промежуточным этапом для дальнейшего распознавания изображения).

Распознавание изображений
Задача - получение описания изображенных объектов.
Методы и алгоритмы распознавания разрабатывались для обеспечения зрения роботов и для систем специального назначения.
В последнее время компьютерные системы распознавания изображений все чаще появляются в повседневной практике, напр., офисные системы распознавания текстов.

Задача распознавания является обратной по отношению к визуализации:

Цель распознавания может формулироваться по-разному:
выделение отдельных элементов (напр., букв текста на изображении документа или условных знаков на изображении карты),
классификация изображения в целом (напр., проверка, изображен ли определенный объект, или установление персоны по отпечаткам пальцев).

Методы классификации и выделения отдельных элементов могут быть взаимосвязаны:
классификация может быть выполнена на основе структурного анализа отдельных элементов объекта;
для выделения отдельных элементов изображения можно использовать методы классификации.

Сферы применения компьютерной графики
САПР (системы автоматизированного проектирования);
деловая графика (графическое представление данных);
визуализация процессов и явлений в научных исследованиях (компьютерное графическое моделирование);
медицина (компьютерная томография, УЗИ и т. д.);

Сферы применения компьютерной графики
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).

Интерактивные графические системы
Интерактивная КГ - способность компьютерной системы создавать графику и вести диалог с человеком.
В системе ИКГ пользователь воспринимает на дисплее изображение, представляющее некоторый сложный объект, и может вносить изменения в описание (модель) объекта.

Изменения: ввод и редактирование элементов, задание числовых значений для любых параметров, операции по вводу информации на основе восприятия изображений человеком.
В настоящее время почти любую программу можно считать системой ИКГ.

Достоинства данной графики:
наиболее естественные средства общения с ЭВМ;
развитый 2D и 3D механизм распознавания образов, что позволяет быстро и эффективно воспринимать и обрабатывать различные виды данных;

значительное расширение полосы пропускания при общении человека с ЭВМ (использование разумного сочетания текста, статических и динамических изображений по сравнению со случаями, когда можно работать только с текстами);
влияет на возможность понимать данные, выявлять тенденции и визуализировать существующие или воображаемые объекты при обработке.

Первыми интерактивными системами считаются системы автоматизированного проектирования (САПР), которые появились в 60-х годах XX века.
Используются во многих областях: машиностроение, электроника, проектирование самолетов и автомобилей, при разработке микроэлектронных интегральных схем, в архитектуре.

Каждый проектировщик, чертежник, архитектор или инженер, скорее всего, знаком с такими инструментами для 2D- и 3D-проектирования, как AutoCAD или AutoCAD LT.
Эти популярные программы помогают составлять строительную документацию, исследовать проектные идеи, визуализировать концепции путем создания фотореалистичных изображений и моделировать динамику эксплуатации объектов и конструкций в реальных условиях.

Геоинформационные системы (ГИС)
используют методы и алгоритмы многих наук и ИТ:
последние достижения технологий БД,
многие алгоритмы и методы математики, физики, геодезии, топологии, картографии, навигации и КГ.
Системы типа ГИС часто требуют значительных ресурсов компьютера как для работы с БД, так и для визуализации объектов.

Системы виртуальной реальности (virtual reality)
Создают иллюзию вхождения человека в виртуальное пространство, которое может быть моделью существующего или выдуманного пространства.
Для диалога с компьютером обычно используются такие устройства, как шлем-дисплей, сенсоры на теле человека.

КГ в кинематографии
Технологии КГ используются для спецэффектов: создания изображений экзотических чудовищ, имитации стихийных бедствий и других элементов.
В 2001 г. вышел полнометражный фильм "Финальная фантазия", в котором все, включая изображения людей, синтезировано компьютером – живые актеры только озвучили роли за кадром.

КГ в Интернете и играх
В Интернете: совершенствуются методы передачи визуальной информации, разрабатываются новые графические форматы.
В компьютерных играх: улучшается анимация, реалистичность изображений, совершенствуются способы ввода-вывода информации.
Часто используются идеи и методы, разработанные для профессиональных компьютерных систем, таких, как тренажеры для летчиков.

Классификация компьютерной графики
В зависимости от организации работы графической системы
1. пассивная или не интерактивная – организация работы, при которой дисплей используется только для вывода изображения под управлением программы без вмешательства пользователя. Графическое представление после получения не может быть изменено.
2. активная или интерактивная (динамическая, диалоговая) – воспроизведение на экране изображений под управлением пользователя.

В зависимости от способа формирования изображения:
Растровая графика – графика, в кот. изображение представляется двумерным массивом точек, которые являются элементами растра.
Растр – это двумерный массив точек (пикселей), упорядоченных в строки и столбцы, предназначенных для представления изображения путем окраски каждой точки в определенный цвет.

2. Векторная графика – метод построения изображений, в котором используются математические описания для определения положения, длины и координаты выводимых линий.

3. Фрактальная графика – напрямую связана с векторной. Как и векторная, фрактальная графика вычисляемая, но отличается тем, что никакие объекты в памяти компьютера не хранятся.
4. 3D-графика.

В зависимости от цветового охвата различают черно-белую и цветную графики.

В зависимости от способов показа изображения
1. иллюстративная графика – способ изображения графического материала.
2. демонстративная графика – связана с динамическими объектами.

Иллюстративная графика
Технологии изображения динамических объектов используют три основных способа:
1. рисование – стирание;
2. смена кадров;
3. динамические образы.

Демонстративная графика
Средства создания и обработки демонстративной графики подразделяют на:
анимацию (двухмерную и трехмерную),
обработку и вывод живого видео,
разнообразные специальные обработчики видеоматериалов.

В зависимости от способов применения:
1. научная графика – вывод графиков на плоскости и в пространстве, решение систем уравнений, графическая интерпретация (MathCAD).
2. инженерная графика (системы автоматизации проектных работ) – различные применения в машиностроении, в проектировании печатных плат, архитектуре и т. д.
3. деловая графика – построение графиков, диаграмм, создание рекламных роликов, демонстраторов.

Деловая графика
Методы и средства графической интерпретации научной и деловой информации: таблицы, схемы, диаграммы, иллюстрации, чертежи.
Программные средства деловой графики включаются в состав текстовых и табличных процессоров.

В среде MS Office имеются встроенные инструменты для создания деловой графики:
графический редактор Paint,
средство MS Graph,
диаграммы MS Excel.