Az Orosz Föderáció Oktatási és Tudományos Minisztériuma

BUZULUKI FEDERÁLIS ÁLLAMI KÖLTSÉGVETÉSI OKTATÁSI INTÉZMÉNY HUMANITÁRIUS ÉS TECHNOLÓGIAI INTÉZETE (FIÓK)

FELSŐ SZAKMAI OKTATÁS

"ORENBURGI ÁLLAMI EGYETEM"

Távoktatási Kar

Fizika, Informatika, Matematika Tanszék

TANFOLYAM

a "Számítógépes grafika és modellezés" tudományágban

A számítógépes grafika megjelenésének története

Buzuluk 2012

megjegyzés

A "Számítógépes grafikai módszerek fejlődésének története" témakörben végzett tanfolyami munka 32 oldalt tartalmaz, köztük 15 ábrát, 20 irodalmi forrást.

Az első rész a számítógépes grafika megjelenésének történetét írja le.

A második szakasz a grafika típusait és a grafika felhasználását írja le az emberi tevékenység különböző területein.

Bevezetés

Az információs technológia fejlődésének történetét a fogalmi koncepciók, technikai eszközök, módszerek és alkalmazási területeik gyors változása jellemzi. A modern valóságban az ipari információs technológiák használatának képessége nagyon fontos lett a legtöbb ember számára. A számítógépek behatolása a társadalmi élet minden területére meggyőzi, hogy a számítógéppel folytatott kommunikáció kultúrája az ember közös kultúrájává válik.

E munka célja a számítógépes grafika megjelenésének történetének tanulmányozása.

A tanulmány tárgya a számítógépes grafika.

Tanulmány tárgya: a számítógépes grafika megjelenésének története.

A tanfolyam céljai:

) tanulmányozza és elemezze a témával foglalkozó szakirodalmat;

) ismertesse a számítógépes grafika fő típusainak fogalmát;

) fontolja meg a számítógépes grafika lehetőségeit.

1. A számítógépes grafika fejlődésének története

1.1 A számítógépes (gépi) grafika megjelenése

A számítógépes grafika fejlesztése nem haladja meg az egy évtizedet, és kereskedelmi alkalmazásaik még kevésbé. Andriesvan Dam -ot a számítógépes grafika egyik atyjának tekintik, és könyvei alapvető tankönyvek a számítógépes grafika mögött álló technológiák teljes spektrumáról. Ezen a területen is ismert Ivan Sutherland, akinek doktori disszertációja a számítógépes grafika elméleti alapja volt.

Egészen a közelmúltig az interaktív számítógépes grafika erejével való kísérletezés csak kis számú szakember, főleg tudósok és mérnökök kiváltsága volt, akik tervezési automatizálásban, adatelemzésben és matematikai modellezésben vesznek részt. Most a valós és képzelt világok tanulmányozása a számítógépek "prizmáján" keresztül sokkal szélesebb kör számára vált elérhetővé.

Ennek a helyzetváltozásnak több oka is van. Először is a számítógépes hardver egyes összetevőinek költség / teljesítmény arányának drámai javulása következtében. Ezenkívül széles körben elérhetővé vált a szabványos, magas szintű grafikus szoftver, amely megkönnyíti az új típusú alkalmazások írását, amelyek hordozhatók egyik típusú számítógépről a másikra.

A következő ok annak köszönhető, hogy a kijelzők befolyásolják az interfész minőségét - az ember és a gép közötti kommunikációs eszközöket -, hogy a legjobb felhasználói élményt nyújtsák. Az új, felhasználóbarát rendszerek főként a WYSIWYG megközelítésre épülnek (az angol kifejezés "Whatyouseeiswhatyouget" - "What you see is what you have") rövidítése -, amely szerint a képernyőn megjelenő képnek a lehető legjobban hasonlítania kell amelyik ennek eredményeként kinyomtatott.

A legtöbb hagyományos számítógépes grafikus alkalmazás kétdimenziós. Az utóbbi időben egyre nagyobb kereskedelmi érdeklődés mutatkozik a 3D alkalmazások iránt. Jelentős előrelépés hajtja két egymással összefüggő probléma megoldásában: a háromdimenziós jelenetek modellezésében és a lehető legreálisabbá tételében. Például a repülési szimulátorok a pilóta és az oktató parancsaira adott válaszidőt hangsúlyozzák. A sima mozgás illúziójának létrehozásához a szimulátornak rendkívül valósághű képet kell generálnia egy dinamikusan változó "világról", legalább 30 képkocka / másodperc sebességgel. Ezzel szemben a reklámban és a szórakoztatóiparban használt képeket önállóan, gyakran órák alatt számítják ki, a maximális realizmus elérése vagy az erős benyomás érdekében.

A számítógépes grafika fejlődése, különösen annak kezdeti szakaszában, elsősorban a technikai eszközök, és különösen a kijelzők fejlesztésével függ össze:

tetszőleges sugárolvasás;

rasztersugár -szkennelés;

tároló csövek;

plazma panel;

folyadékkristályos indikátorok;

elektrolumineszcens indikátorok;

mező emissziós kijelzők.

Önkényes sugárolvasás. A kijelzőgrafika úgy jött létre, hogy véletlenszerűen letapogatott katódsugárcsöveket (CRT -ket) használtak egy kép számítógépről történő kimenetére. Mint Newman írja, nyilvánvalóan az első olyan gép, amelyben CRT-ket használtak kimeneti eszközként, az 1950-ben gyártott Whirlwind-I (Hurricane-I) számítógép volt. a Massachusettsi Műszaki Intézetben. Ez a kísérlet megkezdte a vektoros kijelzők (tetszőleges sugárolvasással, kalligrafikus kijelzőkkel) történő fejlesztési szakaszát. A szakmai zsargonban a vektor egyenes vonalú szegmens. Innen származik a "vektoros kijelző" elnevezés.

Amikor a sugár áthalad a képernyőn azon a ponton, amelyen a sugár üt, a képernyő foszforjának izzása izgatott. Ez az izzás meglehetősen gyorsan leáll, ha a fénysugarat egy másik pozícióba helyezi (a szokásos perzisztenciaidő kevesebb, mint 0,1 s). Ezért ahhoz, hogy a kép folyamatosan látható legyen, másodpercenként 50 vagy 25 alkalommal kell újra kiadni (regenerálni). A kép újbóli kiadásának szükségessége megköveteli annak leírásának tárolását egy speciálisan kijelölt memóriában, az úgynevezett frissítési memóriában. Magát a képleírást megjelenítési fájlnak nevezik. Magától értetődik, hogy egy ilyen kijelző kellően gyors processzort igényel a kijelzőfájl feldolgozásához és a sugár mozgásának szabályozásához a képernyőn.

Általában a soros vektoros kijelzők másodpercenként 50-szer csak 3000-4000 szegmenst tudtak felépíteni. Nagyobb számú szegmens esetén a kép villogni kezd, mivel a következő ciklus elején felépített szegmensek teljesen eltűnnek, mire az utolsó rajzolásra kerül.

A vektoros kijelzők másik hátránya a fényerősségek csekély száma (általában 2-4). Két-három színű CRT-ket fejlesztettek ki, de nem találtak széles körű alkalmazást, ami szintén több fényerő-fokozatot biztosított.

A vektoros kijelzőkben könnyű törölni a kép bármely elemét - elegendő a törölt elem törlése a kijelzőfájlból a következő építési ciklus során.

A szöveges párbeszéd alfanumerikus billentyűzettel támogatott. A közvetett grafikus párbeszédet, mint minden más kijelzőn, úgy hajtják végre, hogy a célkeresztet (kurzort) a képernyőn mozgatják különböző célkeresztes vezérlők - koordináta kerekek, vezérlőkar (joystick), trackball (golyó fogantyú), tablet stb. A vektoros kijelzők megkülönböztető jellemzője a közvetlen grafikus párbeszéd lehetősége, amely a képernyőn lévő tárgyak (vonalak, szimbólumok stb.) Egyszerű jelzéséből áll, egy könnyű toll segítségével. Ehhez elegendő egy fotodióda segítségével meghatározni a rajzolás pillanatát, és ezért a szükséges elem bármely részének foszfor izzásának kezdetét.

Az első soros vektoros kijelzők külföldön jelentek meg a 60 -as évek végén.

A sugár raszteres letapogatása.

A mikroelektronikai technológia fejlődése az 1970-es évek közepe óta a raszteres sugárzást használó kijelzők elsöprő használatához vezetett.

Memóriacsövek.

A 60 -as évek végén megjelent egy tároló CRT, amely elég hosszú ideig (akár egy óráig) képes közvetlenül a képernyőn tárolni az elkészített képet. Ezért nincs szükség frissítési memóriára, és nincs szükség gyors processzorra a képfrissítés végrehajtásához. A törlés ilyen kijelzőn csak a teljes kép egészére lehetséges. A kép összetettsége gyakorlatilag korlátlan. A tárolócsöves kijelzőkön elért felbontás megegyezik a vektoros kijelzőkkel, vagy magasabb - akár 4096 pont.

A szöveg párbeszédablak alfanumerikus billentyűzettel támogatott, közvetett grafikus párbeszéd a célkereszt mozgatásával a képernyőn, általában a koordináta kerekek használatával.

Az ilyen kijelzők megjelenése egyrészt hozzájárult a számítógépes grafika széles körű elterjedéséhez, másrészt bizonyos visszaesést jelentett, mivel viszonylag gyenge minőségű és alacsony sebességű, nem túl interaktív grafika terjedt el.

Plazma panel.

1966 -ban. egy plazma panelt találtak ki, amely egyszerűen csak kisméretű, többszínű neonlámpák mátrixaként ábrázolható, amelyek mindegyike önállóan van bekapcsolva, és állítható fényerővel világíthatnak. Világos, hogy az eltérítő rendszerre nincs szükség, és a regenerációs memóriára sincs szükség, hiszen az izzó feszültsége alapján mindig meg lehet határozni, hogy be van -e kapcsolva, azaz ki. hogy van -e ilyenkor kép. Bizonyos értelemben ezek a kijelzők egyesítik a vektoros és raszteres eszközök számos hasznos tulajdonságát. A hátrányok közé tartozik a magas költség, az elégtelen felbontás és a magas tápfeszültség. Általában ezeket a kijelzőket nem használják széles körben.

Folyadékkristályos mutatók. A folyadékkristályos indikátorok kijelzői hasonlóan működnek, mint az elektronikus órák mutatói, de természetesen a kép nem több szegmensből áll, hanem nagyszámú, külön szabályozható pontból. Ezek a kijelzők a legkisebb mérettel és energiafogyasztással rendelkeznek, ezért széles körben használják laptopokban, az alacsonyabb felbontás, alacsonyabb kontraszt és észrevehetően magasabb ár mellett, mint a raszteres CRT -kijelzők.

Elektrolumineszcens indikátorok. Az elektrolumineszcens kijelzőn megjelenő kijelzők a legnagyobb fényerőt, kontrasztot, üzemi hőmérséklet -tartományt és tartósságot mutatják. A technológia fejlődése lehetővé tette, hogy ne csak a drága csúcskategóriás rendszerekben, hanem az általános ipari rendszerekben is használhatók legyenek. Az ilyen kijelzők működése a foszfor izzásán alapul, viszonylag nagy váltakozó feszültség hatására, amelyet egymásra merőleges elektródakészletekre alkalmaznak, amelyek között a foszfor található.

Kijelzi a mező emissziót. A katódsugaras csövek kijelzői, viszonylagos olcsóságuk és széles körű használatuk ellenére, mechanikusan törékenyek, nagy tápfeszültséget igényelnek, sok energiát fogyasztanak, nagy méretűek és korlátozott élettartamúak, ami a katódok kibocsátásának csökkenésével jár. E hátrányok kiküszöbölésének egyik módszere a lapos, hideg katódokból származó sugárzást biztosító kijelzők létrehozása erősen élezett mikrotűk formájában.

Így 1950-től kezdve a számítógépes grafika az egzotikus kísérletekből a modern civilizáció egyik legfontosabb, mindent átható eszközévé vált, kezdve a tudományos kutatástól, a tervezési és gyártási automatizálástól, az üzleti élettől, az orvostudománytól, az ökológiától, a médiától, a szabadidőtől és a befejezésig háztartási eszközökkel.

2. Számítógépes grafika

A számítógépes grafika hatóköre nem korlátozódik kizárólag a művészi hatásokra. A tudomány, a technológia, az orvostudomány minden területén, a kereskedelmi és menedzsment tevékenységekben számítógépes sémákat, grafikonokat, diagramokat használnak, amelyeket különféle információk vizuális megjelenítésére terveztek. A tervezők az új autó- és repülőgépmodellek fejlesztésekor 3D grafikát használnak a termék végső megjelenésének ábrázolására. Az építészek háromdimenziós képet készítenek az épületről a monitor képernyőjén, és ez lehetővé teszi számukra, hogy lássák, hogyan illeszkedik a tájba.

A számítógépes grafika alábbi alkalmazási területeit veheti figyelembe.

Tudományos grafika.

Az első számítógépeket csak tudományos és ipari problémák megoldására használták. A kapott eredmények jobb megértése érdekében grafikusan feldolgozták, grafikonokat, diagramokat, rajzokat készítettek a számított szerkezetekről. A gép első grafikáit a szimbolikus nyomtatás módjában szerezték be. Ezután megjelentek speciális eszközök - plotterek (plotterek) rajzok és grafikonok rajzolásához tintatollal papírra. A modern tudományos számítógépes grafika lehetővé teszi számítási kísérletek elvégzését eredményeik vizuális bemutatásával.

Üzleti grafika.

Az üzleti grafika a számítógépes grafika olyan területe, amelynek célja az intézmények munkájának különböző mutatóinak megjelenítése. Tervezett mutatók, jelentéstételi dokumentumok, statisztikai összefoglalók - ezek azok a tárgyak, amelyekhez üzleti grafikák segítségével készülnek szemléltető anyagok. Az üzleti grafikus szoftvert a táblázatok tartalmazzák.

Tervezzen grafikát.

A tervezőgrafikákat tervezőmérnökök, építészek, az új technológia feltalálói munkájában használják. Ez a fajta számítógépes grafika a CAD (tervezési automatizálási rendszerek) nélkülözhetetlen eleme. A tervezőgrafika segítségével lehetőség van lapos képek (vetületek, metszetek) és térbeli háromdimenziós képek készítésére is.

Illusztráló grafika.

Az illusztráló grafika szabadkézi rajzolás és ábrázolás a számítógép képernyőjén. Az illusztráló grafikai csomagok általános célú alkalmazásszoftverek. A legegyszerűbb szemléltető grafikus szoftvert grafikus szerkesztőknek nevezik.

Művészi és reklámgrafika - amelyek nagyrészt a televíziónak köszönhetően váltak népszerűvé. Számítógép segítségével reklámokat, rajzfilmeket, számítógépes játékokat, oktatóanyagokat, videobemutatókat készítenek. Az ilyen célú grafikus csomagok nagy számítógépes erőforrásokat igényelnek sebesség és memória tekintetében. E grafikus csomagok megkülönböztető jellemzője az a képesség, hogy reális képeket és "mozgó képeket" hozzon létre. A háromdimenziós objektumok rajzainak megszerzése, azok forgása, közelítése, eltávolítása, deformációja nagy mennyiségű számítással jár. A tárgy megvilágításának átvitele a fényforrás helyzetétől, az árnyékok helyétől, a felületi textúrától függően olyan számításokat igényel, amelyek figyelembe veszik az optika törvényeit.

Az egyik legkorábbi ismert film a Star Wars volt. A Sgau szuperszámítógép segítségével jött létre. A számítógépes mozi további fejlődésének szakaszai nyomon követhetők olyan filmekben, mint a "Terminátor 2", "Babilon 5", stb. Egészen a közelmúltig a számítógépes grafikai technológiákat speciális effektekhez használták, egzotikus szörnyek képeit készítve, természeti katasztrófákat szimulálva. elemeket, amelyek csak háttérként szolgáltak az élő színészek játékához. 2001 -ben megjelent a "Final Fantasy" című teljes hosszúságú film, amelyben mindent, beleértve az emberek képeit is, egy számítógép szintetizálta - az élő színészek csak a kulisszák mögötti szerepeket hangoztatták.

Számítógépes animáció.

A számítógépes animáció a mozgó képek rögzítése a kijelzőn. A művész rajzot készít a képernyőn a mozgó tárgyak kezdeti és végső helyzetéről, az összes köztes állapotot a számítógép kiszámítja és megjeleníti, számításokat végezve az ilyen típusú mozgás matematikai leírása alapján. A kapott rajzok, amelyek bizonyos gyakorisággal jelennek meg a képernyőn, a mozgás illúzióját keltik.

Grafika az internethez.

A számítógépes grafika típusai.

Háromféle számítógépes grafika létezik. Ezek rasztergrafikák, vektorgrafikák és fraktálgrafikák. Különböznek egymástól a képalkotás elveiben, ha monitoron jelennek meg, vagy papírra nyomtatják őket.

Raszteres módszer - a kép színes pontok halmazaként jelenik meg. A rasztergrafikákat elektronikus (multimédiás) és nyomtatott kiadványok fejlesztésében használják. A bitképes illusztrációkat ritkán készítik kézzel számítógépes programok segítségével. Leggyakrabban a művészek által készített szkennelt illusztrációkat vagy fényképeket használják erre a célra. A közelmúltban a digitális fényképezőgépeket és a videokamerákat széles körben használják a raszteres képek számítógépbe történő bevitelére.

A pixel a bitképek fő eleme. Az ilyen elemekből áll össze a bitképes kép.

A digitális kép pixelek gyűjteménye. A raszteres kép minden képpontját x és y koordináta, valamint V (x, y) fényerő jellemzi (fekete -fehér képek esetén). Mivel a képpontok diszkrétek, koordinátáik diszkrét mennyiségek, általában egész számok vagy racionális számok. Színes kép esetén minden képpontot x és y koordináta jellemez, és három fényerőt: vörös fény, kék fény és zöld fényerő (VR, VB, VG). E három szín kombinálásával nagyszámú különböző árnyalatot kaphat.

Ne feledje, hogy ha a kép legalább egyik jellemzője nem szám, akkor a kép az analóg típushoz tartozik. Az analóg képek például a hologramok és a fényképek. Vannak speciális módszerek az ilyen képek kezelésére, különösen az optikai átalakítások. Bizonyos esetekben az analóg képeket digitális formátumba konvertálják. Ezt a feladatot az ImageProcessing végzi.

A bittérkép bármelyik pixelének színe bitek kombinációjával kerül tárolásra. Minél több bitet használnak erre, annál több színárnyalatot lehet kapni. A fényerősséget általában 1 bájtra osztják (256 fokozat), a 0 fekete és 255 fehér (maximális intenzitás). Színes kép esetén egy bájt van hozzárendelve mindhárom szín fényerejének fokozatosságához. Lehetőség van különböző (4 vagy 12) bitszámokkal kódolni a fényerő fokozatokat, de az emberi szem színenként csak 8 bit árnyalatot képes megkülönböztetni. A 24 bites színek több mint 16 millió színt biztosítanak, és gyakran természetes színeknek nevezik őket.

A színpalettákban minden képpont kóddal van leírva. A kód és a 256 cellás színtábla közötti kapcsolat megmarad. Minden cella bitkapacitása 24 bit. Az egyes cellák kimenete 8 bit piros, zöld és kék.

A piros, zöld és kék intenzitások által alkotott színteret színkockaként ábrázoljuk (lásd 1. ábra).

1. ábra- Színes kocka

Az A, B, C kocka csúcsai a zöld, a kék és a piros maximális intenzitása, az általuk alkotott háromszöget pedig Pascal háromszögének nevezzük. Ennek a háromszögnek a kerülete a leginkább telített színeknek felel meg. A maximális telítettségi szín mindig csak két komponenst tartalmaz. Az OD szegmens a szürke árnyalatait tartalmazza, az O áramerősség fekete, a D pont pedig a fehér.

A raszterek típusai.

A raszter a pontok (raszteres elemek) elrendezésének sorrendje. A 2. ábrán egy raszter látható, amelynek elemei négyzetek, az ilyen rasztereket téglalap alakúnak nevezik, leggyakrabban ezeket a rasztereket használják.

2. ábra - Raszter négyzet alakú elemekkel

Bár lehet más alakzatot használni raszteres elemként: háromszög, hatszög; megfelel az alábbi követelményeknek:

- minden számnak azonosnak kell lennie;

- teljesen le kell fednie a síkot ütközés és lyukak nélkül.

Tehát raszteres elemként lehetséges egy egyenlő oldalú háromszög (lásd a 3. ábrát), a szabályos hatszög (hexaéder) használata (lásd a 4. ábrát). Rasztereket építhet szabálytalan sokszögek felhasználásával, de ennek nincs gyakorlati értelme. raszterek.

3. ábra- Háromszögű raszter

Tekintsük a vonalak rajzolásának módjait téglalap és hatszögletű raszterben.

4. ábra - "Hatszögletű raszter"

Egy téglalap alakú raszterben két vonal rajzolódik meg:

) Az eredmény egy nyolc csatlakozó vonal. A vonal szomszédos pixelei a nyolc lehetséges helyzetben lehetnek (lásd az 5a. Ábrát)

) Az eredmény egy négycsatlakozó vonal. A vonal szomszédos pixelei a négy lehetséges helyzetben lehetnek (lásd 5b. Ábra). Hátránya a túl vastag vonal 45 ° -os szögben.

5. ábra - Vonal építése téglalap alakú raszterben

Egy hatszögletű raszterben a vonalak hatszorosak (lásd 6. ábra), az ilyen vonalak szélessége stabilabb; a vonalszélesség szórása kisebb, mint egy négyzet alakú raszterben.

6. ábra - Vonal építése hatszögletű raszterben

A raszter kiértékelésének egyik módja a kódolt kép kommunikációs csatornán keresztüli továbbítása, figyelembe véve a használt rasztert, valamint az elért minőség későbbi helyreállítása és vizuális elemzése.

Hatszögletű raszter modellezése. Lehetőség van négyszög alapú hatszögletű raszter felépítésére. Ehhez a hatszög téglalapként van ábrázolva.

Vektorgrafika.

A vektorgrafika a képeket egyenes és ívelt vonalak segítségével írja le, amelyeket vektoroknak neveznek, valamint a színeket és pozíciókat leíró paramétereket. Például egy falevél képét (lásd a 7. ábrát) azok a pontok írják le, amelyeken áthalad a vonal, és ezáltal létrejön a levél körvonala. A levél színét a körvonal színe és a körvonalon belüli terület határozza meg.

7. ábra - Példa vektorgrafikára

A vektorgrafika raszteres grafikájától eltérően a kép objektumok, körök és vonalak matematikai leírásai alapján készül. Bár ez első pillantásra bonyolultabbnak tűnhet, mint a raszteres tömbök használata, bizonyos típusú képeknél a matematikai leírások használata egyszerűbb.

A vektorgrafika kulcsa az, hogy számítógépes utasítások és matematikai képletek kombinációját használja egy objektumhoz. Ez lehetővé teszi, hogy a számítástechnikai eszközök kiszámítsák és elhelyezzék a valódi pontokat a kívánt helyre, amikor rajzolják ezeket az objektumokat. A vektorgrafika ezen tulajdonsága számos előnyt biztosít a raszteres grafikákkal szemben, ugyanakkor a hátránya is.

A vektorgrafikákat gyakran objektum-orientált grafikának vagy rajzológrafikának nevezik. Az egyszerű objektumokat, például köröket, vonalakat, gömböket, kockákat és hasonlókat primitíveknek nevezzük, és összetettebb objektumok létrehozására használják. A vektorgrafikában az objektumokat különböző objektumok kombinálásával hozzák létre.

Vektoros rajzok létrehozásához a sok illusztrációs csomag egyikét kell használnia. A vektorgrafika előnye, hogy a leírás egyszerű és kevés számítógép memóriát foglal el. A hátránya azonban az, hogy a részletes vektorobjektum túl bonyolult lehet, előfordulhat, hogy nem a felhasználó által elvárt módon nyomtatja ki, vagy egyáltalán nem nyomtatja ki, ha a nyomtató rosszul értelmezi vagy nem érti a vektorparancsokat.

A vektorgrafikus elemek szerkesztésekor az elemek alakját leíró egyenes és ívelt vonalak paraméterei megváltoznak. Mozgathatja az elemeket, megváltoztathatja méretüket, alakjukat és színüket, de ez nem befolyásolja vizuális megjelenítésük minőségét. A vektorgrafika felbontástól független, azaz többféle kimeneti eszközön is megjeleníthető, különböző felbontásokon, minőségromlás nélkül.

A vektoros ábrázolás a képi elemek matematikai görbékkel történő leírásából áll, jelezve azok színeit és kihasználtságát.

További előny a kiváló minőségű skálázás bármely irányba. Az objektumok növekedését vagy csökkenését a matematikai képletek megfelelő együtthatóinak növelésével vagy csökkentésével hajtják végre. Sajnos a vektoros formátum hátrányossá válik, ha sok árnyalatot vagy apró részletet (például fényképeket) tartalmazó képeket visz át. Végül is minden legkisebb vakítást ebben az esetben nem egyszínű pontok halmaza fog ábrázolni, hanem egy összetett matematikai képlet vagy grafikus primitívek halmaza, amelyek mindegyike képlet. Ez megnehezíti a fájlt. Ezenkívül a kép raszterről vektorformátumba történő lefordítása (például az AdobeStrimeLine vagy a Corel OCR-TRACE program segítségével) az utóbbi öröklődéséhez vezet, és lehetetlen a helyes felfelé méretezés. A lineáris méretek növekedése nem növeli az egységnyi részlet vagy árnyalat számát. Ezt a korlátozást a bemeneti eszközök (szkennerek, digitális fényképezőgépek stb.) Felbontása szabja meg.

A fraktál fogalma és a fraktálgrafika megjelenésének története.

Valószínűleg gyakran láttál olyan okos képeket, amelyeken nem világos, hogy mit ábrázolnak, de formájuk szokatlansága lenyűgözi és vonzza a figyelmet. Általában ezek zseniális formák, amelyek látszólag nem alkalmasak semmilyen matematikai leírásra. Ön például mintákat látott üvegen fagy után, vagy például zseniális foltot hagyott a lapon tintatollal, így valami ilyesmi leírható valamilyen algoritmus formájában, és ezért könnyű elmagyarázni számítógéppel. Az ilyen halmazokat fraktálnak nevezik. A fraktálok nem olyanok, mint az általunk ismert, geometriából ismert ábrák, és bizonyos algoritmusok szerint épülnek fel, és ezek az algoritmusok számítógép segítségével megjeleníthetők a képernyőn. Általánosságban elmondható, hogy ha mindent egy kicsit leegyszerűsít, akkor a fraktálok egyfajta átalakítás, amelyet többször is alkalmaztak az eredeti ábrán.

A fraktálgeometria első elképzelései a XIX. Cantor egy egyszerű rekurzív (ismétlődő) eljárással a vonalat nem összekapcsolt pontok halmazává (az úgynevezett Cantor's Dust) alakította át. Fogta a vonalat, és eltávolította a középső harmadot, majd ugyanezt megismételte a fennmaradó szegmensekkel. Peano egy speciális vonalat húzott (lásd 8. ábra). Rajzolásához Peano a következő algoritmust használta.

8. ábra- Rajzoló algoritmus

Az első lépésnél egyenes vonalat vett, és 9 szegmensre cserélte, mint az eredeti vonal hossza (az 1. ábra 1. és 2. része). Aztán ugyanezt tette a kapott vonal minden szegmensével. És így tovább a végtelenségig. Különlegessége, hogy kitölti az egész síkot. Bebizonyosodott, hogy a sík minden pontján megtalálható a Peano egyeneshez tartozó pont. Peano görbéje és Cantor pora túlmutat a közönséges geometriai tárgyakon. Nem volt világos dimenziójuk. Cantor pora mintha egydimenziós egyenes alapján épült volna, de pontokból állt, a Peano-görbe pedig egydimenziós egyenes alapján épült fel, és az eredmény egy sík volt. Számos más tudományterületen is megjelentek problémák, amelyek megoldása a leírtakhoz hasonlóan furcsa eredményekhez vezetett (Brown -mozgás, részvényárfolyamok).

A 20. századig adatok gyűltek össze az ilyen furcsa tárgyakról, mindenféle rendszerezési kísérlet nélkül. Egészen addig, amíg Benoit Mandelbrot, a modern fraktálgeometria és a fraktál szó atyja át nem vette őket. Míg az IBM -nél dolgozott matematikai elemzőként, olyan zajokat tanulmányozott az elektronikus áramkörökben, amelyeket statisztikákkal nem lehetett leírni. A tényeket fokozatosan összehasonlítva új matematikai irány - a fraktálgeometria - felfedezéséhez jutott.

Mandelbrot maga a fraktál szót a latin fraktusz szóból származtatta, ami azt jelenti, tört (részekre osztva). A fraktál egyik definíciója pedig egy részekből álló, részekre bontható geometriai ábra, amelyek mindegyike az egész kicsinyített másolata (legalábbis megközelítőleg).

Amint Mandelbrot felfedezte a fraktál fogalmát, kiderült, hogy szó szerint velük vagyunk körülvéve. Fraktál fémöntvények és kőzetek, ágak fraktális elrendezése, levelek mintázata, növények kapilláris rendszere; keringési, idegrendszeri, nyirokrendszerek az állati szervezetekben, fraktál vízgyűjtők, felhőfelületek, tengerparti vonalak, hegyvidéki dombormű ...

Egy fraktál elképzeléséhez fontolja meg a B. Mandelbrot "A természet fraktálgeometriája" című könyvében szereplő példát, amely klasszikussá vált - "Milyen hosszú Nagy -Britannia partja?" A válasz erre a kérdésre nem olyan egyszerű, mint amilyennek látszik. Minden attól függ, hogy milyen hosszú lesz az eszköz, amelyet használni fogunk. Miután megmértük a partot egy kilométeres vonalzóval, némi hosszúságot kapunk. Azonban kihagyunk sok kis öblöt és félszigetet, amelyek jóval kisebbek, mint a felállásunk. Ha az uralkodó méretét mondjuk 1 méterre csökkentjük, akkor figyelembe vesszük a táj ezen részleteit, és ennek megfelelően a part hossza is nagyobb lesz. Menjünk előre, és mérjük meg a part hosszát milliméteres vonalzó segítségével, itt figyelembe vesszük a millimétert meghaladó részleteket, a hossz még nagyobb lesz. Ennek eredményeként az ilyen, látszólag egyszerű kérdésre adott válasz bárkit megzavarhat - Nagy -Britannia partjainak hossza végtelen.

A fraktálok fő tulajdonsága az ön-hasonlóság. A fraktál bármely mikroszkopikus töredéke ilyen vagy olyan módon reprodukálja globális szerkezetét. A legegyszerűbb esetben a fraktál egy része egyszerűen redukált egész fraktál.

Ezért a fraktálok építésének alapvető receptje: vegyünk egy egyszerű motívumot, és ismételjük meg, folyamatosan csökkentve a méretét. Végül egy olyan struktúra fog megjelenni, amely ezt a motívumot minden skálán reprodukálja. (9. ábra)

9. ábra - A fraktál ismétlésének motívuma

Vegyünk egy szegmenst, és törjük középső harmadát 60 fokos szögben. Ezután megismételjük ezt a műveletet a kapott vonallánc minden részével - és így tovább végtelenül. Ennek eredményeként kapjuk a legegyszerűbb fraktált - a triád görbét, amelyet 1904 -ben fedezett fel Helga von Koch matematikus.

Ha minden lépésnél nemcsak csökkenti a fő motívumot, hanem eltolja és forgatja is, akkor érdekesebb és valósághűbb képződményeket kaphat, például egy páfránylevelet vagy akár egész sűrűjét. Vagy építhet egy nagyon hihető fraktál terepet, és lefedheti egy nagyon szép erdővel. A 3D StudioMax -ban például fraktál algoritmust használnak a fák létrehozásához. És ez sem kivétel - a modern számítógépes játékok terepi textúráinak nagy része fraktál. A képen látható hegyek, erdő és felhők fraktálok.

A fraktál képfájlok a fif kiterjesztéssel rendelkeznek. Általában öt fájl valamivel kisebb, mint a jpg fájl, de ez fordítva is előfordul. A móka akkor kezdődik, amikor egyre nagyobb nagyítással nézi a képeket. A jpg formátumú fájlok szinte azonnal demonstrálják diszkrét jellegüket - megjelenik a hírhedt létra. De öt fájl, ahogy a fraktálokhoz illik, a növekvő nagyítással a struktúra részleteinek új szintjét mutatja, megőrizve a kép esztétikáját.

Geometriai fraktálok.

Velük kezdődött a fraktálok története. Ezt a fajta fraktált egyszerű geometriai konstrukciókkal nyerik. Általában ezeknek a fraktáloknak a konstruálásakor a következőket kell tenni: „magot” veszünk - axiómát - szegmensek halmazát, amely alapján a fraktált felépítjük. Ezután erre a "magra" szabályokat alkalmaznak, amelyek valamilyen geometriai alakmá alakítják át. Ezt követően ugyanazokat a szabályokat kell alkalmazni az ábra minden részére. Minden lépéssel az ábra egyre összetettebb lesz, és ha végtelen számú átalakítást hajtunk végre, akkor geometriai fraktált kapunk.

A korábban figyelembe vett Peano -görbe geometriai fraktál. A 10. ábra a geometriai fraktálok más példáit mutatja (Koch Hópehely, Liszt, Sierpinski -háromszög).

10. ábra- Hópehely Koch

11. ábra-Lap

12. ábra - Sierpinski -háromszög

Ezek közül a geometriai fraktálok közül a Koch hópehely nagyon érdekes és meglehetősen híres. Egy egyenlő oldalú háromszög alapján épül fel. Ennek minden sorát az eredeti sor 1/3 -os hosszúsága 4 sor helyettesíti. Így minden iterációval a görbe hossza harmadával nő. És ha végtelen számú iterációt hajtunk végre, akkor fraktált kapunk - egy végtelen hosszú Koch -hópelyhet. Kiderül, hogy végtelen görbénk korlátozott területet ölel fel.

A Koch -hópehely mérete (ha egy hópehely háromszorosára nő, hossza négyszeresére nő) D = napló (4) / rönk (3) = 1,2619 ...

Az úgynevezett L-rendszerek jól alkalmasak geometriai fraktálok felépítésére. Ezeknek a rendszereknek az a lényege, hogy van egy meghatározott rendszerszimbólum -halmaz, amelyek mindegyike egy adott műveletet és egy karakterátalakítási szabályt jelöl.

Algebrai fraktálok.

A fraktálok második nagy csoportja algebrai. Nevüket azért kapták, mert algebrai képletek alapján épülnek, amelyek néha nagyon egyszerűek. Az algebrai fraktálok megszerzésére számos módszer létezik. Az egyik módszer a Zn + 1 = f (Zn) függvény többszörös (iteratív) számítása, ahol Z egy komplex szám, f pedig valamilyen függvény. Ennek a függvénynek a számítása addig tart, amíg egy bizonyos feltétel teljesül. És amikor ez a feltétel teljesül, egy pont jelenik meg a képernyőn. Ebben az esetben a függvény értékei a komplex sík különböző pontjaihoz eltérőek lehetnek:

- hajlamos a végtelenségre az idők folyamán;

- hajlamos 0 -ra;

- több rögzített értéket vesz fel, és nem lépi túl azokat;

- a viselkedés kaotikus, minden hajlam nélkül.

Az algebrai fraktálok szemléltetésére térjünk rá a klasszikusokra - a Mandelbrot -halmazra.

13. ábra - Mandelbrot halmaz

Felépítéséhez komplex számokra van szükségünk. A komplex szám két részből álló szám - valós és képzeletbeli -, amelyet + bi jelölnek. Az a valódi rész a szokásos szám az ábrázolásunkban, a bi pedig a képzelt rész. i -t képzeletbeli egységnek nevezzük, mert ha négyzetet i teszünk, akkor -1 -et kapunk.

Összetett számokat lehet összeadni, kivonni, megszorozni, osztani, hatványra és gyökre emelni, nem lehet csak összehasonlítani őket. Egy komplex szám ábrázolható síkbeli pontként, ahol az X koordináta az a valós része, Y pedig a b képzelt részének együtthatója.

Funkcionálisan a Mandelbrot halmaz a következőképpen van definiálva

1 = Zn * Zn + C.

A Mandelbrot halmaz létrehozásához a BASIC algoritmust használjuk. A = -2-2 "minden valós a esetén -2-2b = -2-2" minden képzelt b esetén -2-2

"Mandelbrot -halmazhoz tartozik = Igaz

"Ismételje meg 255 alkalommal (256 színmódhoz)

Az iterációhoz = 1 - 255 = Z0 * Z0 + C

"Ellenőrizve - nem tulajdonolt has (Zn)> 2, majd tó = Hamis: Kilépés For0 = Zn

"Rajzolt egy fekete pontot, amely Mandelbrot" tavához "tartozik.

Ha tó = igaz, akkor PutPixel (a, b, FEKETE)

"Olyan pontot rajzoltak, amely nem tartozik a készlethez, vagy a határon fekszik.

Else PutPixel (a, b, iteráció)

Most írjuk le a programot szavakkal. A -2 + 2i és 2 + 2i közötti tartományban lévő komplex sík összes pontjára hajtson végre meglehetősen nagy számú alkalommal Zn = Z0 * Z0 + C, minden alkalommal ellenőrizze a Zn abszolút értékét. Ha ez az érték nagyobb, mint 2, akkor egy pontot rajzolunk, amelynek színe megegyezik az iterációs számmal, amelynél az abszolút érték meghaladta a 2 -t, ellenkező esetben fekete pontot rajzolunk. A teljes Mandelbrot készlet teljes dicsőségben áll a szemünk előtt.

A középső fekete szín azt mutatja, hogy ezeken a pontokon a függvény nullára hajlik - ez a Mandelbrot halmaz. Ezen a halmazon kívül a függvény a végtelenségig hajlik. A legérdekesebb pedig a halmaz határa. Ekkor fraktálok. Ennek a halmaznak a határainál a függvény kiszámíthatatlanul - kaotikusan - viselkedik.

A funkció, a ciklusból való kilépés feltételeinek megváltoztatásával más fraktálokat kaphat. Például, ha a С = a + bi kifejezés helyett a Z0 = a + bi kifejezést vesszük, és tetszőleges értékeket rendelünk a С -hez, megkapjuk a Julia halmazt, szintén gyönyörű fraktált.

A Mandelbrot-halmaz esetében az önazonosság is megnyilvánul.

Sztochasztikus fraktálok

A fraktálok "plazma" osztályának tipikus képviselője.

14. ábra-Plazma

Ennek elkészítéséhez vegyen egy téglalapot, és határozzon meg egy színt minden sarokhoz. Ezután megkeressük a téglalap középpontját, és olyan színűre festjük, amely megegyezik a téglalap sarkában levő színek számtani átlagával, valamint néhány véletlen számmal. Minél nagyobb a véletlen szám, annál "rongyosabb" lesz a rajz. Ha például azt mondjuk, hogy egy pont színe a tengerszint feletti magasság, akkor plazma helyett egy hegyláncot kapunk. Ezen az elven modellezik a hegyeket a legtöbb programban. A plazmához hasonló algoritmus segítségével magassági térképet készítenek, különféle szűrőket alkalmaznak rá, és textúrát alkalmaznak.

számítógépes grafika vektoros animáció

Következtetés

Ebben a kurzusmunkában olyan kérdést vizsgáltak, mint a számítógépes grafika fejlődésének története, fogalmakat adtak a számítógépes grafika fő típusainak, és figyelembe vették a számítógépes grafika lehetőségeit.

A témával foglalkozó szakirodalom tanulmányozása alapján megállapíthatjuk, hogy a grafika története nem áll meg, hanem gyorsan fejlődik.

A jövőben részletesebben megvizsgálhatja a számítógépes grafika típusait, és figyelembe veheti a számítógépes grafika munkaprogramjait.

A számítógépes grafika hatóköre nem korlátozódik kizárólag a művészi hatásokra. A kereskedelmi menedzsment minden ága számítógépes diagramokat, grafikonokat és diagramokat használ.

A felhasznált források listája

1 Elektronikus oktatási kiadványok fejlesztése. Információs taneszközök létrehozása és használata: tankönyv. kézikönyv / N.D. Izergin, [és mások]. - M.: Kolomna, 2006.- 160 p. -ISBN 5-89-5-89-655-8974-0.

Pedagógiai ötletek fesztiválja "Nyílt lecke". Elektronikus tankönyv készítése / szerk. Tregubova O.P. - M.: Oroszország. - Hozzáférési mód: http://festival.1september.ru/articles/526252/. - 2011.06.20.

Milyen legyen az elektronikus tankönyv. / V.B. Yasinsky // Elektronikus folyóirat: RESEARCHED IN RUSSIA, 2000. - Hozzáférési mód: http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/011.pdf. - 2011.01.06.

Pankratova, LP. Ismeretek ellenőrzése az informatikában: tesztek, ellenőrzési feladatok, vizsgakérdések, számítógépes projektek / E.N. Chelak. SPb.: BHV-Petersburg. 2004- 448 p. -ISBN 5-94157-371-5.

Az Orosz Föderáció szabványa az alapfokú szakképzésben. Számitógép kezelő. OST 9PO 02.1.9 2002.48 p.

Ugrinovich, N.D. Informatika és informatika. tankönyv / N.D. Ugrinovich. Moszkva ..: BINOM Könyvkiadó. Labor. tudás, 2005 .-- 512 p. -ISBN 5-94774-001-8.

Informatika: tankönyv. kézikönyv / A.V. Mogilev. - 2. kiadás, Törölt. - Moszkva ..: Akadémia, 2008 .-- 336 p. -ISBN 978-5-7695-4771-3.

Műhely az informatikáról: tankönyv. kézikönyv / A.V. Mogilev. Moszkva. Kiadó Akadémia, 2001. 608 p. ISBN 5-7695-2247-X.

Számítástechnika. Tankönyv / V.A. Ostreykovsky. 2. kiadás, Törölt. - M: magasabb. shk., 2004 .-- 511 p. -ISBN 5-06-003533-6.

11 Microsoft Office Word 2003. juttatás / B. Hislop. Moszkva. Dialektika, 2004.784 p. ISBN 5-8459-0646-6, 0-7645-3971-X.

12 Microsoft Office 2003. Tankönyv. kézikönyv.O.A. Mezhenny. - M.: Dialektika, 2004.368 p. ISBN 5-8459-0838-8.

Munka személyi számítógépen (PC) az irodában: képzés / O.S. Stepanenko. Moszkva. Williams Kiadó. 3. kiadás, 2006. - 768 p. -ISBN 5-8459-0974-0.

Zakharova, L.A. Microsoft Word 2003. Gyakorlati kézikönyv sorozat "Lépésről lépésre" (+ CD-ROM) / L.А. Zakharova. - M .: SP ECOM, 2005 .-- 384 p. -ISBN 5-9790-0005-4.

Bedet, A. A számítógépes kifejezések szószedete / D. Burdhardt, A. Cumming, [és mások]. - 10. kiadás, M.: Kiadó: Williams, 2002 .-- 432 p. -ISBN 5-8459-0363-7, 0-2017-7629-4.

Gukin, D. Illusztrált számítógépes szótár / D. Gukin, S.Kh. Gukin. - 4. kiadás, Moszkva. Williams Kiadó, 2005. - 512 p. -ISBN 5-8459-0207-X, 0-7645-0732-X;

A számítógépes grafika fejlesztésének kiindulópontja 1930 -nak tekinthető, amikor az Egyesült Államokban honfitársunk, Vladimir Zvorykin, aki a Westinghouse -ban dolgozott, feltalálta a katódsugárcsövet (CRT), amely először lehetővé teszi, hogy mozgó alkatrészek használata nélkül.

A megfelelő számítógépes grafika korszakának kezdetét 1951. decembernek tekinthetjük, amikor a Massachusetts Institute of Technology (MIT) -nél kifejlesztették az első "Whirlwind" számítógép kijelzőjét az amerikai haditengerészet légvédelmi rendszeréhez. A kijelző feltalálója az MIT mérnöke, Jay Forrester volt.

A számítógépes grafika egyik alapító atyja Ivan Sotherland, aki 1962 -ben, ugyanabban az MIT -ben létrehozta a Sketchpad nevű számítógépes grafikus programot. Ez a program meglehetősen egyszerű alakzatokat (pontokat, vonalakat, íves köröket) tud rajzolni, és el tudja forgatni az ábrákat. képernyő.

T. Mofett és N. Taylor vezetésével Itek kifejlesztett egy digitális elektronikus rajzológépet. 1964-ben a General Motors bemutatta a DAC-1 számítógépes tervezőrendszert, amelyet az IBM-szel közösen fejlesztettek ki.

1965-ben az IBM kiadta az első kereskedelmi grafikus terminált, az IBM-2250 nevet (5. ábra).

1968 -ban egy N. N. Konstantinov vezette csoport megalkotta a macska mozgásának számítógépes matematikai modelljét. A BESM-4 gép, végrehajtva az írásos programot a differenciálegyenletek megoldására, lerajzolta a "Kitty" rajzfilmet (7. ábra), amely a maga korában áttörést jelentett. A vizualizációhoz alfanumerikus nyomtatót használtak.

1977 -ben a Commodore kiadta PET -jét (Personal Electronic Recorder), és az Apple megalkotta az Apple II -t. Ezen eszközök megjelenése vegyes érzelmeket váltott ki: a grafika szörnyű volt, a processzorok pedig lassúak. A PC -k azonban ösztönözték a perifériák fejlesztését: olcsó plotterek és grafikus táblagépek.

A nyolcvanas évek végére a szoftver minden alkalmazási területen elérhető volt, a vezérlőrendszerektől az asztali kiadói rendszerekig. A nyolcvanas évek végén új piaci irány merült fel a hardver és szoftver szkennelő rendszerek fejlesztése, az automatikus digitalizálás területén. Az ilyen rendszerek eredeti lendülete az Ozalid varázsgép létrehozása volt, amely beolvassa és automatikusan vektorizálja a rajzot papíron, átalakítva szabványos CAD / CAM formátumokká. A hangsúly azonban a szkennelt képpontok feldolgozására, tárolására és továbbítására irányult.

A 90 -es években eltörölték a különbséget a CG és a képfeldolgozás között. A számítógépes grafika gyakran foglalkozik vektoros adatokkal, és a képpontok információi képezik a képfeldolgozás alapját.

Néhány évvel ezelőttig minden felhasználónak szüksége volt egy egyedi architektúrájú munkaállomásra, és most a munkaállomás -processzorok elég gyorsak a vektoros és a raszteres információk kezeléséhez. Ezenkívül lehetővé válik a videóval való munka. Ha hozzáadja az audio képességeket, akkor multimédiás számítógépes környezetet kap.

A KG minden alkalmazási területe - legyen az művészet, mérnöki és tudományos, üzleti / szórakoztató és -. A PC -k növekvő potenciálja és hatalmas száma biztosítja az iparág folyamatos növekedését ebben az iparágban.

A számítógépes grafika általános fogalmainak kialakítása

A számítógépes grafika világnapját minden évben december 3 -án ünneplik. A dátumot okkal választották: az angol változatban ez a nap december 3 -a, vagyis a maga nemében egy kulcskombinációt kapunk - 3D December vagy 3D.

Az ünnep létrehozására vonatkozó javaslatot 1998 -ban az amerikai Alias ​​Systems cég (az Autodesk vásárolta meg), a Maya 3D modellező és animációs csomag fejlesztője kapta. Aztán olyan óriások csatlakoztak az eseményhez, mint az Adobe Systems, az NVIDIA, a Wacom stb.

Az ünnepet eleinte csak azok ünnepelték, akik közvetlenül kapcsolódnak a háromdimenziós képek létrehozásához, kicsit később csatlakozott minden más, általában a számítógépes grafikához kapcsolódó szféra. Az orosz nyelvű közösség az eseményt a maga módján nevezi: "A 3D-Schnick napja".

Az iparág meghatározó szereplői december első évtizedében mindenféle rendezvényt, bemutatót, szemináriumot és mesterkurzust tartanak. Mi pedig megpróbáljuk felvázolni a számítógépes grafika kialakulásának és fejlődésének általános képét. Nincs értelme úgy tenni, mintha teljes lenne a történelem leírásában, de mégis lehetséges a fő mérföldkövek felvázolása egy felületes pillantással.

1950 -es évek: a szöveges képektől a grafikus konzolig

A múlt század közepén a számítógépek nemcsak nagyok voltak, hanem óriási, és értékes nagygépes gépi időt használtak kizárólag katonai és ipari szükségletekre. Az egyik unatkozó programozó azonban arra az ötletre jutott, hogy nyomtatóeszközöket használjon a képek és fényképek megjelenítésére. Egyszerű: az alfanumerikus karakterek sűrűségének különbsége nagyon alkalmas a képek papírra történő létrehozására - még akkor is, ha mozaiknak bizonyulnak, a távoli látás által érzékelhetőek.

Az ASCII grafika a 19. század vége óta létezik, amikor a gépírók versenyeztek a legjobb rajzokért az írógépen.
Illusztráció: jackbrummet.blogspot.com.

1950 -ben Ben Laposky matematikus, festő és rajzoló kísérletezni kezdett az oszcilloszkóppal való rajzolással. A fénytáncot a legbonyolultabb beállításokkal hozták létre ezen a katódsugaras készüléken. A képek rögzítéséhez nagysebességű fotózást és speciális lencséket használtak, később pigmentált szűrőket adtak hozzá a képek színes feltöltéséhez.

Ben Laposki egy oszcilloszkóp mellett, amelyre szokatlan felhasználást talált.
Illusztráció: Sanford Múzeum.

Később az "oszcillonok" a fényszűrők használata miatt színesedtek.
Illusztráció: Sanford Múzeum.

Laposki "Visual Rhythms and Harmonies of Electronic Abstract Art" tökéletesen illeszkedett Robert Moog, az elektronikus zene úttörője által szintetizált hanghoz.

1951 -ben a Massachusetts Institute of Technology (MIT) elkészítette az Egyesült Államok Légierőjének forgószélét, az első számítógépet, amely videoterminállal (valójában oszcilloszkóppal) valós idejű adatokat bocsát ki.

Pörgős számítógép: mágneses magmemória (bal oldalon) és kezelői konzol.
Illusztráció: Wikimedia.

1952-ben jelent meg az első vizuális számítógépes játék-az OXO, azaz tic-tac-toe, amelyet Alexander Douglas fejlesztett ki az EDSAC számítógéphez, Ph.D. értekezésének részeként, az ember-gép interakció példájaként. Az adatokat lemez tárcsázóval adtuk meg, és a kimenetet mátrix katódsugárcső hajtotta végre.

OXO Tic Tac Toe az EDSAC emulátorban Mac OS X rendszerhez.
Illusztráció: Wikimedia.

1955 -ben született meg a fénytoll. A toll hegyén van egy fotocella, amely elektronikus impulzusokat bocsát ki, és egyidejűleg reagál az elektronnyaláb áthaladásának pillanatának megfelelő csúcsragyogásra. Elég, ha szinkronizálja az impulzust az elektronpisztoly helyzetével, hogy pontosan meghatározza, hol mutat a toll.

A könnyű tollakat erősen használták az 1960 -as évek számítástechnikai termináljaiban.

IBM 2250. A világos toll ekkor a számítógépes egér analógjaként működött.
Illusztráció: Wikimedia.

1957 -ben egy csapat Russell Kirsch vezetésével kifejlesztett egy dobszkennert az 1950 -es SEAC számítógéphez az Egyesült Államok Nemzeti Szabványügyi Hivatalában, amely a világ első digitális fényképét készítette. A kép, amely a tudós három hónapos fiát örökíti meg, 5 × 5 cm méretűnek bizonyult, 176 × 176 pixeles felbontással. A számítógép önállóan izolálta a kontúrokat, megszámolta az objektumokat, felismerte a szimbólumokat és digitális képet jelenített meg az oszcilloszkóp képernyőjén.

1958-ban az MIT piacra dobta a Lincoln TX-2 számítógépet, amely elsőként grafikus konzolt használt. Ettől a pillanattól kezdve a számítógépes grafika elnyerte a technikák és fejlesztések valódi alkalmazását - a vektoros megjelenítést.

TX-2 munkaállomás.
Illusztráció: MIT.

Körülbelül ekkor John Whitney, a számítógépes animáció úttörője egy mechanikus analóg számítógéppel kísérletezett, amelyet ő maga készített a légvédelmi tűzvédelmi eszközből - Kerrison előrejelzőjéből. A Saul Bass tervezővel való együttműködés volt Alfred Hitchcock 1958 -as Vertigo című filmjének spirográfiai vetítővászna.

Figyelem! Letiltotta a JavaScriptet, böngészője nem támogatja a HTML5 -öt, vagy az Adobe Flash Player egy régi verziója van telepítve.

1960 -as évek: az "Albumtól" az animációig

Úgy gondolják, hogy a "számítógépes grafika" kifejezést 1960 -ban William Fetter, a Boeing Aircraft tervezője alkotta meg, bár ő maga azt állítja, hogy a szerzőség kollégája, Verne Hudsoné. Abban az időben szükség volt az emberi test szerkezetének leírására szolgáló eszközre, ugyanakkor nagy pontossággal és a változásra alkalmas formában. A számítógépes grafika tökéletesen megoldotta ezt a problémát.

Boeing Man. A számítógépes grafika sokat segített időt és erőfeszítést megtakarítani a repülőgép -tervezésben.
Illusztráció: Boeing.

Bár az első számítógépes játékokat már megvalósították, az első igazi videojátékot "Star Wars" -nak (Űrháború!) Kell tekinteni. A játékot 1962-ben Steve Russel MIT-hallgató és munkatársai testesítették meg, és egy DEC PDP-1 számítógépen futott, a hírhedt oszcilloszkóp segítségével.

1963-ban Ivan Sutherland, egy másik MIT-hallgató, Sketchpad néven számítógépes programot írt a TX-2-hez. Abban az időben joggal forradalmian új lendületet adott a gépi grafikának, és prototípusa volt a számítógépes tervezési (CAD) rendszereknek, először a modern felhasználói felületek és az objektum-orientált programozási nyelvek elemeinek leírására.

Az "Album" egy könnyű toll segítségével lehetővé tette vektoros alakzatok rajzolását a kijelzőre, azok mentését és a kész primitívek elérését. A kulcs az "objektumok" és a "példányok" fogalmának használata volt: a mesterrajzot sokszor lemásolhatták, megváltoztatva az egyes vázlatokat tetszés szerint, és ha változtattak az eredeti rajzon, annak másolatai ennek megfelelően újjáépültek .

Ivan Sutherland bemutatja az "Albumot" a TX-2 grafikus konzolon. Programjáért 1988 -ban megkapta az Alan Turing -díjat, amely a számítógépes világban fontossággal összehasonlítható a Nobel -díjjal.
Illusztráció: MIT.

Az "Album" másik fontos találmánya a geometriai alakzatok automatikus rajzolására szolgáló eszközök voltak: elegendő volt például egy négyzet helyét és méreteit úgy feltüntetni, hogy az megrajzolásra kerüljön - nem kellett aggódni a pontos derékszög miatt.

Ezzel párhuzamosan Edward Zajac, a Bell Telephone Laboratories tudósa az IBM 7090 nagyszámítógépen "Két gyros gravitációs vezérlőrendszer szimulációja" című animációs filmet készített, amelyben bemutatta a Föld körül keringő műhold térbeli mozgását.

Figyelem! Letiltotta a JavaScriptet, böngészője nem támogatja a HTML5 -öt, vagy az Adobe Flash Player egy régi verziója van telepítve.

Ezzel párhuzamosan Ken Knowlton, ugyanazon cég alkalmazottja a BeFlix -el (a Bell Flicks -től), az első dedikált Fortran -alapú számítógépes animációs nyelvvel állt elő. Ő olyan "grafikus primitívekkel" dolgozott, mint például egy vonal meghúzása, egy terület másolása, egy zóna kitöltése, méretezés stb., Lehetővé tette nyolc féltónusú és 252 × 184 képpontos felbontású képek létrehozását.

1965 és 1971 között az Evans & Sutherland animációs sorozatot a BeFlix alapján készítette Stan VanDerBeek kísérleti igazgató. A jól ismert Ivan Sutherland és David Evans alkotta, akik szorosan tanulmányozzák a számítógép és egy személy vizuális interakciójának aspektusait.

A laboratórium átfogóan a számítógép által generált képalkotásra (CGI) volt felszerelve- ideértve a valós idejű hardvert, a 3D gyorsítást és a nyomtató nyelveket-, és elég erős volt ahhoz, hogy vonzza az ígéretes szakemberek csoportját.

Tehát a csatlakozók között volt Edwin Catmull, aki rájött, hogy az animációt a számítógépek vállára kell helyezni, John Warnock, az Adobe Systems társalapítója és a forradalmi PostScript oldalleíró nyelv koncepciójának kidolgozója, James Clark) , a Silicon Graphics és a Netscape Communications társalapítója.

Ed Catmell, őt tartják a számítógépes animáció atyjának. Jelenleg a Walt Disney és a Pixar elnöke, a világ vezető vállalata a számítógépes grafika gyakorlati megvalósításában a filmiparban.
Kép a Flickr / Jeff Heusser jóvoltából.

1968-ban a "Cat" rajzfilmet forgatták a Szovjetunióban, és ez volt az első, amelyben számítógépes animációs karakter jelent meg.

Nyikolaj Konstantinov matematikus vezette szakemberek egy csoportja a BESM-4 számítógéphez fordult, amely kellő realizmus mellett másodrendű differenciálegyenlet-rendszeren keresztül szimulálta egy macska mozgását. Minden keretet nyomtatóra nyomtattak, majd szalagba egyesítették.

Figyelem! Letiltotta a JavaScriptet, böngészője nem támogatja a HTML5 -öt, vagy az Adobe Flash Player egy régi verziója van telepítve.

A számítógépes grafika történetébe való elmélyülésünk második részében az algoritmusok kérdéseit elemezzük.!

Az első számítógépek nem rendelkeztek külön eszközökkel a grafikával való munkavégzéshez, de már képeket szereztek és dolgoztak fel. Az első elektronikus gépek memóriájának programozásával, amelyek egy lámpa mátrixára épültek, mintákat lehetett kapni.

1961 -ben S. Russell programozó vezette a projektet az első grafikus számítógépes játék megalkotására. A játék létrehozása ("Űrháború!") Körülbelül 200 munkaórát vett igénybe. A játékot PDP-1 gépen hozták létre.

1963 -ban Ivan Sutherland amerikai tudós megalkotta a Sketchpad szoftver- és hardverkomplexumot, amely lehetővé tette számára, hogy pontokat, vonalakat és köröket rajzoljon egy csőre digitális tollal. A primitív elemekkel végzett alapvető műveleteket támogattuk: mozgatás, másolás stb. Valójában ez volt az első vektoros szerkesztő, amelyet számítógépen hajtottak végre. Ezenkívül a program nevezhető az első grafikus felületnek, és ilyen volt még a kifejezés megjelenése előtt.

A hatvanas évek közepén. fejlemények történtek a számítógépes grafika ipari alkalmazásaiban. Így T. Mofett és N. Taylor vezetésével az Itek kifejlesztett egy digitális elektronikus rajzológépet. 1964-ben a General Motors bemutatta a DAC-1 számítógépes tervezőrendszert, amelyet az IBM-szel közösen fejlesztettek ki.

1964 -ben egy N. N. Konstantinov vezette csoport megalkotta a macska mozgásának számítógépes matematikai modelljét. A BESM-4 gép, végrehajtva a differenciálegyenletek megoldására vonatkozó írásos programot, lerajzolta a "Kitty" rajzfilmet, amely a maga korában áttörést jelentett. A vizualizációhoz alfanumerikus nyomtatót használtak.

1968-ban a számítógépes grafika jelentős fejlődést ért el, amikor megjelent a képek memorizálásának és a számítógép kijelzőjén, katódsugárcsövön való megjelenítésének lehetősége.

A 60 -as évek végén - 70 -es évek elején új vállalatok kezdtek dolgozni a számítógépes grafika területén. Ha korábban bármilyen munka elvégzéséhez az ügyfeleknek egyedi berendezéseket kellett telepíteniük és új szoftvereket kellett kifejleszteniük, akkor a képek, rajzok és felületek létrehozásának folyamatát megkönnyítő különféle szoftvercsomagok megjelenésével a helyzet jelentősen megváltozott.

Az évtized során a rendszerek annyira kifinomultak lettek, hogy szinte teljesen elszigetelték a felhasználót a szoftverproblémáktól.

A 70 -es évek végén jelentős változások történtek a számítógépes grafikában. Mostantól lehetőség van raszteres kijelzők létrehozására, amelyek számos előnnyel rendelkeznek: nagy adattömbök kimenete, stabil, villódzásmentes kép, színkezelés. Először vált lehetővé a színskála megszerzése. A raszteres technológia egyértelműen az 1970 -es évek végén vált uralkodóvá. A számítógépes grafika területén a legjelentősebb esemény a személyi számítógép létrehozása volt a 70 -es évek végén. 1977 -ben az Apple megalkotta az Apple II -t. Ennek az eszköznek a bevezetése vegyes érzelmeket váltott ki: a grafika szörnyű volt, a processzorok pedig lassúak. A személyi számítógépek azonban ösztönözték a perifériás eszközök fejlesztését. Természetesen a személyi számítógépek a számítógépes grafika fontos részeként fejlődtek ki, különösen a grafikus felhasználói felülettel rendelkező Apple Macintosh 1984 -es bevezetésével.

A személyi számítógép eredeti alkalmazási területe nem a grafikus alkalmazások volt, hanem szövegszerkesztőkkel és táblázatkezelőkkel való munka, de grafikus eszközként való képessége viszonylag olcsó programok kifejlesztését késztette a CAD / CAM és az általánosabb területeken. üzleti és művészeti területek. A nyolcvanas évek végére a szoftver a vezérlőrendszerektől az asztali kiadványokig mindenre rendelkezésre állt. A 80 -as évek végén új piaci irány merült fel a hardver és szoftver szkennelő rendszerek fejlesztése, az automatikus digitalizálás területén. Az ilyen rendszerek eredeti lendülete az Ozalid varázsgép létrehozása volt, amely beolvassa és automatikusan vektorizálja a rajzot papíron, átalakítva szabványos formátumokká.

A hangsúly azonban a szkennelt pixeles képek feldolgozására, tárolására és továbbítására irányult.

A 90 -es években a számítógépes grafika és a képfeldolgozás közötti különbségtétel megszűnt. A számítógépes grafika gyakran foglalkozik vektoros adatokkal, és a képpontok információi képezik a képfeldolgozás alapját. Néhány évvel ezelőttig minden felhasználónak szüksége volt egy egyedi architektúrájú munkaállomásra, és most a munkaállomás -processzorok elég gyorsak a vektoros és a raszteres információk kezeléséhez.

Ezenkívül lehetővé válik a videóval való munka. Ha hozzáadja az audio képességeket, akkor PC multimédiás környezetet kap. A személyi számítógépek növekvő potenciálja és hatalmas száma - mintegy 100 millió - biztosítja az iparág folyamatos növekedését az iparágban. A grafika egyre inkább behatol az üzleti életbe - ma gyakorlatilag nincs olyan dokumentum, amely bármilyen grafikus elem használata nélkül jön létre.

Tudományos grafika

Az első számítógépeket csak tudományos és ipari problémák megoldására használták. A kapott eredmények jobb megértése vagy bemutatása érdekében grafikusan feldolgozták őket (grafikonokat, diagramokat, rajzokat készítettek a számított szerkezetekről). A gép első grafikáit a szimbolikus nyomtatás módjában szerezték be.

Üzleti grafika

Az üzleti grafika a számítógépes grafika olyan területe, amelynek célja az intézmények munkájának különböző mutatóinak megjelenítése. Tervezett mutatók, jelentéstételi dokumentumok, statisztikai összefoglalók - ezek azok a tárgyak, amelyekhez üzleti grafikák segítségével készülnek szemléltető anyagok. Az üzleti grafikus szoftvert a táblázatok tartalmazzák.

Tervezzen grafikát

Tervezőmérnökök, építészek, új technológia feltalálói munkájában használják. Ez a fajta számítógépes grafika a CAD (tervezési automatizálási rendszerek) nélkülözhetetlen eleme. A tervezőgrafika segítségével lehetőség van lapos képek (vetületek, metszetek) és térbeli háromdimenziós képek készítésére is. Ez a fajta számítógépes grafika elengedhetetlen CAD elem.

Illusztráló grafika

Szabadkézi rajzolás és rajzolás számítógéppel. Az illusztráló grafikai csomagok általános célú alkalmazásszoftverek. A legegyszerűbb szemléltető grafikus szoftvert grafikus szerkesztőknek nevezik.

Nagy népszerűségnek örvendett a televíziónak köszönhetően. Számítógép segítségével reklámok, rajzfilmek, számítógépes játékok, videó oktatóanyagok, videóbemutatók stb. Az ilyen célú grafikus csomagok nagy számítógépes erőforrásokat igényelnek sebesség és memória tekintetében. E grafikus csomagok megkülönböztető jellemzője az a képesség, hogy reális képeket és "mozgó képeket" hozzon létre.

A háromdimenziós objektumok rajzainak megszerzése, azok forgása, közelítése, eltávolítása, deformációja nagy mennyiségű számítással jár. A tárgy megvilágításának átvitele a fényforrás helyzetétől, az árnyékok helyétől, a felületi textúrától függően olyan számításokat igényel, amelyek figyelembe veszik az optika törvényeit.

Számítógépes animáció

Mozgó kép rögzítése a kijelzőn. Sok szoftvertermék létezik, amelyekben a művész a képernyőn rajzokat készít a mozgó tárgyak kezdeti és végső helyzetéről, az összes köztes állapotot a számítógép számítja ki és jeleníti meg, számításokat végezve az ilyen típusú mozgások matematikai leírása alapján. A kapott rajzok, amelyek bizonyos gyakorisággal jelennek meg a képernyőn, a mozgás illúzióját keltik.

Multimédia a kiváló minőségű kép és a hang kombinációja. A legelterjedtebb multimédiás rendszerek az oktatás, a reklám, a mozi, a szórakozás stb.

Grafika az internethez

A globális internet megjelenése oda vezetett, hogy a számítógépes grafika szerves részévé vált. Egyre több módszert fejlesztenek a vizuális információk továbbítására, fejlettebb grafikus formátumokat fejlesztenek ki, érezhető a vágy a háromdimenziós grafika, az animáció, a multimédia teljes skálájának használatára.

A számítógépes grafika fejlődésének története

Történelmileg az első interaktív rendszereket veszik figyelembe számítógépes tervezési (CAD) rendszerek... Példa: AutoCAD, KOMPAS stb.
Egyre népszerűbbek most földrajzi információs rendszerek (GIS)... Ez egy viszonylag új típusú interaktív számítógépes grafikus rendszer a tömeges felhasználók számára.
Minden GIS -re jellemzőek az ilyen műveletek - az objektumok bevitele és szerkesztése, figyelembe véve azok elhelyezkedését a Föld felszínén, különböző digitális modellek kialakítása, írás az adatbázisokba, különféle lekérdezések végrehajtása az adatbázisokban. Fontos művelet az elemzés, figyelembe véve egy bizonyos területen elhelyezkedő objektumhalmaz térbeli, topológiai viszonyait.

A számítógépes grafika típusai

A számítógépes grafika az informatika egyik ága, amely a számítógépes technológia segítségével tanulmányozza a grafikus képek létrehozásának és feldolgozásának eszközeit és módszereit. Annak ellenére, hogy a számítógépes grafikával való munkavégzéshez számos szoftverosztály létezik, négyféle számítógépes grafika létezik. Ezek rasztergrafika, vektorgrafika, 3D és fraktálgrafika. Különböznek egymástól a képalkotás elveiben, ha monitoron jelennek meg, vagy papírra nyomtatják őket.

A rasztergrafikákat elektronikus (multimédiás) és nyomtatott kiadványok fejlesztésében használják. A bitképes illusztrációkat ritkán készítik kézzel számítógépes programok segítségével. Leggyakrabban a művész papíron vagy fényképeken készített szkennelt illusztrációit használják erre a célra. A közelmúltban a digitális fényképezőgépeket és a videokamerákat széles körben használják a raszteres képek számítógépbe történő bevitelére. Ennek megfelelően a raszteres illusztrációkkal való együttműködésre tervezett grafikus szerkesztők többsége nem annyira a képek létrehozására, mint a feldolgozásra összpontosít. Az interneten raszteres illusztrációkat használnak azokban az esetekben, amikor szükség van a színes kép teljes árnyalatainak közvetítésére.

Éppen ellenkezőleg, a vektorgrafikával való munkavégzéshez használt szoftvereszközök elsősorban illusztrációk készítésére és kisebb mértékben azok feldolgozására szolgálnak. Az ilyen eszközöket széles körben használják reklámügynökségekben, tervezőirodákban, szerkesztőségekben és kiadókban. A betűtípusok és a legegyszerűbb geometriai elemek használatán alapuló tervezési munkákat sokkal könnyebb megoldani vektorgrafika segítségével. Vannak példák vektorgrafikával létrehozott, rendkívül művészi alkotásokra, de ezek inkább kivétel, mint szabály, mivel az illusztrációk művészi előkészítése vektorgrafikával rendkívül nehéz.

A háromdimenziós grafikákat széles körben használják a mérnöki programozásban, a fizikai objektumok és folyamatok számítógépes modellezésében, az animációkban, az operatőrökben és a számítógépes játékokban.

A fraktálgrafikus szoftvert úgy tervezték, hogy matematikai számítások segítségével automatikusan generálja a képeket. A fraktálművészeti kompozíció létrehozása nem a festésről vagy a dekorációról szól, hanem a programozásról. A fraktálgrafikákat ritkán használják nyomtatott vagy elektronikus dokumentumok készítésére, de gyakran használják szórakoztató programokban.

Raszteres grafika

A bitkép fő (legkisebb) eleme egy pont. Ha a kép a képernyőn van, akkor ezt a pontot pixelnek nevezzük. A bitkép minden képpontjának tulajdonságai vannak: elhelyezés és szín. Minél nagyobb a képpontok száma és minél kisebb a méretük, annál jobb a kép. A nagy mennyiségű adat nagy problémát jelent a raszteres képek használatakor. A nagyméretű illusztrációkkal, például magazinoldalakkal végzett aktív munkához rendkívül nagy (128 MB vagy több) RAM-mal rendelkező számítógépekre van szükség. Természetesen az ilyen számítógépeknek nagy teljesítményű processzorokkal is rendelkezniük kell. A raszteres képek második hátránya azzal jár, hogy képtelenek a részletek megtekintésére nagyítani. Mivel a kép pontokból áll, a kép nagyítása csak azt eredményezi, hogy ezek a pontok nagyobbak lesznek és mozaikhoz hasonlítanak. A bitkép nagyításakor további részletek nem láthatók. Ezenkívül a raszteres képpontok növelése vizuálisan torzítja az illusztrációt és durva lesz. Ezt a hatást pixelesítésnek nevezik.

Vektorgrafika

A raszteres grafikához hasonlóan a kép fő eleme egy pont, így a vektorgrafikában a kép fő eleme egy vonal (nem mindegy, hogy egyenes vagy görbe). Természetesen a vonalak a raszteres grafikában is léteznek, de ott pontok kombinációiként kezelik őket. A raszteres grafika vonalának minden pontjára egy vagy több memóriacellát rendelnek (minél több színnel rendelkezhetnek a pontok, annál több cellát rendelnek hozzá). Ennek megfelelően minél hosszabb a rasztersor, annál több memóriát foglal el. A vektorgrafikában a sor által elfoglalt memória mennyisége nem függ a vonal méretétől, mivel a sort képlet formájában, vagy inkább több paraméter formájában ábrázoljuk. Bármit is teszünk ezzel a vonallal, csak a memóriacellákban tárolt paraméterei változnak. A cellák száma nem változik egyetlen sor esetében sem.

A vonal egy elemi vektorgrafikus objektum. A vektoros illusztrációban minden vonalakból áll. A legegyszerűbb objektumokat összetettebbekké egyesítik, például egy négyszögű objektum négy összekapcsolt vonalnak tekinthető, a kockaobjektum pedig még összetettebb: vagy tizenkét összekapcsolt vonal, vagy hat összekapcsolt négyszög. E megközelítés miatt a vektorgrafikákat gyakran objektum-orientált grafikának nevezik. Azt mondtuk, hogy a vektorgrafikus objektumok paraméterek halmazaként tárolódnak a memóriában, de nem szabad megfeledkeznünk arról, hogy minden kép továbbra is pontokban jelenik meg a képernyőn (egyszerűen azért, mert a képernyőt így tervezték). Mielőtt minden objektumot megjelenítene a képernyőn, a program kiszámítja az objektum képének képernyőpontjainak koordinátáit, ezért a vektorgrafikát néha számított grafikának nevezik. Hasonló számításokat végeznek objektumok nyomtatóba történő kiadásakor. Mint minden objektumnak, a vonalaknak is vannak tulajdonságaik. Ezek a tulajdonságok a következők: a vonal alakja, vastagsága, színe, a vonal jellege (szilárd, szaggatott, stb.). A zárt vonalak kitöltő tulajdonsággal rendelkeznek. A zárt út belső terét színekkel, textúrákkal, térképekkel lehet kitölteni. A legegyszerűbb egyenesnek, ha nincs lezárva, két csúcsa van, amelyeket csomópontoknak nevezünk. A csomópontoknak olyan tulajdonságaik is vannak, amelyek meghatározzák a sor tetejének megjelenését és a két vonal illeszkedését.