Министерство образования и науки Российской Федерации

БУЗУЛУКСКИЙ ГУМАНИТАРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ) ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет заочного обучения

Кафедра физики, информатики, математики

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Компьютерная графика и моделирование»

История возникновения компьютерной графики

Бузулук 2012

Аннотация

Курсовая работа на тему «История развития методов компьютерной графики» содержит из 32 страниц, в том числе 15 рисунков, 20 источников литературы.

В первом разделе описывается история возникновения компьютерной графики.

Во втором разделе описываются виды графики и использование графики в различных сферах деятельности человека.

Введение

История развития информационных технологий характеризуется быстрым изменением концептуальных представлений, технических средств, методов и сфер их применения. В современных реалиях весьма актуальным для большинства людей стало умение пользоваться промышленными информационными технологиями. Проникновение компьютеров во все сферы жизни общества убеждает в том, что культура общения с компьютером становится общей культурой человека.

Цель работы - изучить историю возникновения компьютерной графики.

Объектом изучения является компьютерная графика.

Предмет изучения: история возникновения компьютерной графики.

Задачи курсовой работы:

) изучить и провести анализ литературы по данной теме;

) дать понятие основным видам компьютерной графики;

) рассмотреть возможности компьютерной графики.

1. История развития компьютерной графики

1.1 Возникновение компьютерной (машинной) графики

Компьютерная графика насчитывает в своем развитии не более десятка лет, а ее коммерческим приложениям - и того меньше. Андриесван Дам считается одним из отцов компьютерной графики, а его книги - фундаментальными учебниками по всему спектру технологий, положенных в основу машинной графики. Также в этой области известен Айвэн Сазерленд, чья докторская диссертация явилась теоретической основой машинной графики.

До недавнего времени экспериментирование по использованию возможностей интерактивной машинной графики было привилегией лишь небольшому количеству специалистов, в основном ученые и инженеры, занимающиеся вопросами автоматизации проектирования, анализа данных и математического моделирования. Теперь же исследование реальных и воображаемых миров через «призму» компьютеров стало доступно гораздо более широкому кругу людей.

Такое изменение ситуации обусловлено несколькими причинами. Прежде всего, в результате резкого улучшения соотношения стоимость / производительность для некоторых компонент аппаратуры компьютеров. Кроме того, стандартное программное обеспечение высокого уровня для графики стало широкодоступным, что упрощает написание новых прикладных программ, переносимых с компьютеров одного типа на другие.

Следующая причина обусловлена влиянием, которое дисплеи оказывают на качество интерфейса - средства общения между человеком и машиной, - обеспечивая максимальные удобства для пользователя. Новые, удобные для пользователя системы построены в основном на подходе WYSIWYG (аббревиатура от английского выражения «Whatyouseeiswhatyouget» - «Что видите, то и имеете»), в соответствии с которым изображение на экране должно быть как можно более похожим на то, которое в результате печатается.

Большинство традиционных приложений машинной графики являются двумерными. В последнее время отмечается возрастающий коммерческий интерес к трехмерным приложениям. Он вызван значительным прогрессом в решении двух взаимосвязанных проблем: моделирования трехмерных сцен и построения как можно более реалистичного изображения. Например, в имитаторах полета особое значение придается времени реакции на команды, вводимые пилотом и инструктором. Чтобы создавалась иллюзия плавного движения, имитатор должен порождать чрезвычайно реалистичную картину динамически изменяющегося «мира» с частотой как минимум 30 кадров в секунду. В противоположность этому изображения, применяемые в рекламе и индустрии развлечений, вычисляют автономно, нередко в течение часов, с целью достичь максимального реализма или произвести сильное впечатление.

Развитие компьютерной графики, особенно на ее начальных этапах, в первую очередь связано с развитием технических средств и в особенности дисплеев:

произвольное сканирование луча;

растровое сканирование луча;

запоминающие трубки;

плазменная панель;

жидкокристаллические индикаторы;

электролюминисцентные индикаторы;

дисплеи с эмиссией полем.

Произвольное сканирование луча. Дисплейная графика появилась, как попытка использовать электроннолучевые трубки (ЭЛТ) с произвольным сканированием луча для вывода изображения из ЭВМ. Как пишет Ньюменпо-видимому, первой машиной, где ЭЛТ использовалась в качестве устройства вывода была ЭВМ Whirlwind-I (Ураган-I), изготовленная в 1950г. в Массачусетском технологическом институте. С этого эксперимента начался этап развития векторных дисплеев (дисплеев с произвольным сканированием луча, каллиграфических дисплеев). На профессиональном жаргоне вектором называется отрезок прямой. Отсюда и происходит название «векторный дисплей».

При перемещении луча по экрану в точке, на которую попал луч, возбуждается свечение люминофора экрана. Это свечение достаточно быстро прекращается при перемещении луча в другую позицию (обычное время послесвечения - менее 0.1 с). Поэтому, для того чтобы изображение было постоянно видимым, приходится его перевыдавать (регенерировать изображение) 50 или 25 раз в секунду. Необходимость перевыдачи изображения требует сохранения его описания в специально выделенной памяти, называемой памятью регенерации. Само описание изображения называется дисплейным файлом. Понятно, что такой дисплей требует достаточно быстрого процессора для обработки дисплейного файла и управления перемещением луча по экрану.

Обычно серийные векторные дисплеи успевали 50 раз в секунду строить только около 3000-4000 отрезков. При большем числе отрезков изображение начинает мерцать, так как отрезки, построенные в начале очередного цикла, полностью погасают к тому моменту, когда будут строиться последние.

Другим недостатком векторных дисплеев является малое число градаций по яркости (обычно 2-4). Были разработаны, но не нашли широкого применения двух-трехцветные ЭЛТ, также обеспечивавшие несколько градаций яркости.

В векторных дисплеях легко стереть любой элемент изображения - достаточно при очередном цикле построения удалить стираемый элемент из дисплейного файла.

Текстовый диалог поддерживается с помощью алфавитно-цифровой клавиатуры. Косвенный графический диалог, как и во всех остальных дисплеях, осуществляется перемещением перекрестия (курсора) по экрану с помощью тех или иных средств управления перекрестием - координатных колес, управляющего рычага (джойстика), трекбола (шаровой рукоятки), планшета и т.д. Отличительной чертой векторных дисплеев является возможность непосредственного графического диалога, заключающаяся в простом указании с помощью светового пера объектов на экране (линий, символов и т.д.). Для этого достаточно с помощью фотодиода определить момент прорисовки и, следовательно, начала свечения люминофора любой части требуемого элемента.

Первые серийные векторные дисплеи за рубежом появились в конце 60-х годов.

Растровое сканирование луча.

Прогресс в технологии микроэлектроники привел к тому, с середины 70-х годов подавляющее распространение получили дисплеи с растровым сканированием луча.

Запоминающие трубки.

В конце 60-х годов появилась запоминающая ЭЛТ, которая способна достаточно длительное время (до часа) прямо на экране хранить построенное изображение. Следовательно, не обязательна память регенерации и не нужен быстрый процессор для выполнения регенерации изображения. Стирание на таком дисплее возможно только для всей картинки в целом. Сложность изображения практически не ограничена. Разрешение, достигнутое на дисплеях на запоминающей трубке, такое же, как и на векторных или выше - до 4096 точек.

Текстовый диалог поддерживается с помощью алфавитно-цифровой клавиатуры, косвенный графический диалог осуществляется перемещением перекрестия по экрану обычно с помощью координатных колес.

Появление таких дисплеев с одной стороны способствовало широкому распространению компьютерной графики, с другой стороны представляло собой определенный регресс, так как распространялась сравнительно низкокачественная и низкоскоростная, не слишком интерактивная графика.

Плазменная панель.

В 1966г. была изобретена плазменная панель, которую упрощенно можно представить как матрицу из маленьких разноцветных неоновых лампочек, каждая из которых включается независимо и может светиться с регулируемой яркостью. Ясно, что системы отклонения не нужно, не обязательна также и память регенерации, так как по напряжению на лампочке можно всегда определить горит она ли нет, т.е. есть или нет изображение в данной точке. В определенном смысле эти дисплеи объединяют в себе многие полезные свойства векторных и растровых устройств. К недостаткам следует отнести большую стоимость, недостаточно высокое разрешение и большое напряжение питания. В целом эти дисплеи не нашли широкого распространения.

Жидкокристаллические индикаторы. Дисплеи на жидкокристаллических индикаторах работают аналогично индикаторам в электронных часах, но, конечно, изображение состоит не из нескольких сегментов, а из большого числа отдельно управляемых точек. Эти дисплеи имеют наименьшие габариты и энергопотребление, поэтому широко используются в портативных компьютерах несмотря на меньшее разрешение, меньшую контрастность и заметно большую цену, чем для растровых дисплеев на ЭЛТ.

Электролюминисцентные индикаторы. Наиболее высокие яркость, контрастность, рабочий температурный диапазон и прочность имеют дисплеи на электролюминисцентных индикаторах. Благодаря достижениям в технологии они стали доступны для применения не только в дорогих высококлассных системах, но и в общепромышленных системах. Работа таких дисплеев основана на свечении люминофора под воздействием относительно высокого переменного напряжения, прикладываемого к взаимноперпендикулярным наборам электродов, между которыми находится люминофор.

Дисплеи с эмиссией полем. Дисплеи на электронно-лучевых трубках, несмотря на их относительную дешевизну и широкое распространение, механически непрочны, требуют высокого напряжения питания, потребляют большую мощность, имеют большие габариты и ограниченный срок службы, связанный с потерей эмиссии катодами. Одним из методов устранения указанных недостатков, является создание плоских дисплеев с эмиссией полем с холодных катодов в виде сильно заостренных микроигл.

Таким образом, стартовав в 1950г., компьютерная графика к настоящему времени прошла путь от экзотических экспериментов до одного из важнейших, всепроникающих инструментов современной цивилизации, начиная от научных исследований, автоматизации проектирования и изготовления, бизнеса, медицины, экологии, средств массовой информации, досуга и кончая бытовым оборудованием.

2. Компьютерная графика

Область применения компьютерной графики не ограничивается одними художественными эффектами. Во всех отраслях науки, техники, медицины, в коммерческой и управленческой деятельности используются построенные с помощью компьютера схемы, графики, диаграммы, предназначенные для наглядного отображения разнообразной информации. Конструкторы, разрабатывая новые модели автомобилей и самолетов, используют трехмерные графические объекты, чтобы представить окончательный вид изделия. Архитекторы создают на экране монитора объемное изображение здания, и это позволяет им увидеть, как оно впишется в ландшафт.

Можно рассмотреть следующие области применения компьютерной графики.

Научная графика.

Первые компьютеры использовались лишь для решения научных и производственных задач. Чтобы лучше понять полученные результаты, производили их графическую обработку, строили графики, диаграммы, чертежи рассчитанных конструкций. Первые графики на машине получали в режиме символьной печати. Затем появились специальные устройства - графопостроители (плоттеры) для вычерчивания чертежей и графиков чернильным пером на бумаге. Современная научная компьютерная графика дает возможность проводить вычислительные эксперименты с наглядным представлением их результатов.

Деловая графика.

Деловая графика - область компьютерной графики, предназначенная для наглядного представления различных показателей работы учреждений. Плановые показатели, отчетная документация, статистические сводки - вот объекты, для которых с помощью деловой графики создаются иллюстративные материалы. Программные средства деловой графики включаются в состав электронных таблиц.

Конструкторская графика.

Конструкторская графика используется в работе инженеров-конструкторов, архитекторов, изобретателей новой техники. Этот вид компьютерной графики является обязательным элементом САПР (систем автоматизации проектирования). Средствами конструкторской графики можно получать как плоские изображения (проекции, сечения), так и пространственные трехмерные изображения.

Иллюстративная графика.

Иллюстративная графика - это произвольное рисование и черчение на экране компьютера. Пакеты иллюстративной графики относятся к прикладному программному обеспечению общего назначения. Простейшие программные средства иллюстративной графики называются графическими редакторами.

Художественная и рекламная графика - ставшая популярной во многом благодаря телевидению. С помощью компьютера создаются рекламные ролики, мультфильмы, компьютерные игры, видеоуроки, видеопрезентации. Графические пакеты для этих целей требуют больших ресурсов компьютера по быстродействию и памяти. Отличительной особенностью этих графических пакетов является возможность создания реалистических изображений и «движущихся картинок». Получение рисунков трехмерных объектов, их повороты, приближения, удаления, деформации связано с большим объемом вычислений. Передача освещенности объекта в зависимости от положения источника света, от расположения теней, от фактуры поверхности, требует расчетов, учитывающих законы оптики.

Одним из первых известных фильмов был фильм «Звездные войны». Он был создан с помощью суперкомпьютера Сгау. Этапы дальнейшего развития компьютерного кинематографа можно проследить по таким фильмам, как «Терминатор-2», «Вавилон 5», и др. До недавнего времени технологии компьютерной графики использовались для спецэффектов, создания изображений экзотических чудовищ, имитации стихийных бедствий и других элементов, которые являлись лишь фоном для игры живых актеров. В 2001 году вышел на экраны полнометражный кинофильм «Финальная фантазия», в котором все, включая изображения людей, синтезировано компьютером - живые актеры только озвучили роли за кадром.

Компьютерная анимация.

Компьютерная анимация - это получение движущихся изображений на экране дисплее. 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. Полученные рисунки, выводимые последовательно на экран с определенной частотой, создают иллюзию движения.

Графика для Интернета.

Виды компьютерной графики.

Различают три вида компьютерной графики. Это растровая графика, векторная графика и фрактальная графика. Они отличаются принципами формирования изображения при отображении на экране монитора или при печати на бумаге.

Растровый метод - изображение представляется в виде набора окрашенных точек. Растровую графику применяют при разработке электронных (мультимедийных) и полиграфических изданий. Иллюстрации, выполненные средствами растровой графики, редко создают вручную с помощью компьютерных программ. Чаще всего для этой цели используют отсканированные иллюстрации, подготовленные художниками, или фотографии. В последнее время для ввода растровых изображений в компьютер нашли широкое применение цифровые фото- и видеокамеры.

Пиксел - основной элемент растровых изображений. Именно из таких элементов состоит растровое изображение.

Цифровое изображение - это совокупность пикселей. Каждый пиксел растрового изображения характеризуется координатами x и y и яркостью V(x,y) (для черно-белых изображений). Поскольку пикселы имеют дискретный характер, то их координаты - это дискретные величины, обычно целые или рациональные числа. В случае цветного изображения, каждый пиксел характеризуется координатами x и y, и тремя яркостями: яркостью красного, яркостью синего и яркостью зеленого цветов (VR, VB, VG). Комбинируя данные три цвета можно получить большое количество различных оттенков.

Заметим, что в случае, если хотя бы одна из характеристик изображения не является числом, то изображение относится к виду аналоговых. Примерами аналоговых изображений могут служить голограммы и фотографии. Для работы с такими изображениями существуют специальные методы, в частности, оптические преобразования. В ряде случаев аналоговые изображения переводят в цифровой вид. Эту задачу осуществляет ImageProcessing.

Цвет любого пиксела растрового изображения запоминается с помощью комбинации битов. Чем больше битов для этого используется, тем больше оттенков цветов можно получить. Под градацию яркости обычно отводится 1 байт (256 градаций), причем 0 - черный цвет, а 255 - белый (максимальная интенсивность). В случае цветного изображения отводится по байту на градации яркостей всех трех цветов. Возможно кодирование градаций яркости другим количеством битов (4 или 12), но человеческий глаз способен различать только 8 бит градаций на каждый цвет. Цвета, описываемые 24 битами, обеспечивают более 16 миллионов доступных цветов и их часто называют естественными цветами.

В цветовых палитрах каждый пиксел описан кодом. Поддерживается связь этого кода с таблицей цветов, состоящей из 256 ячеек. Разрядность каждой ячейки- 24 разряда. На выходе каждой ячейки по 8 разрядов для красного, зеленого и синего цветов.

Цветовое пространство, образуемое интенсивностями красного, зеленого и синего, представляют в виде цветового куба (см. рис. 1.).

Рисунок 1- Цветовой Куб

Вершины куба A, B, C являются максимальными интенсивностями зеленого, синего и красного соответственно, а треугольник, которые они образуют, называется треугольником Паскаля. Периметр этого треугольника соответствует максимально насыщенным цветам. Цвет максимальной насыщенности содержит всегда только две компоненты. На отрезке OD находятся оттенки серого, причем тока O соответствует черному, а точка D белому цвету.

Виды растров.

Растр - это порядок расположения точек (растровых элементов). На рисунке 2 изображен растр, элементами которого являются квадраты, такой растр называется прямоугольным, именно такие растры наиболее часто используются.

Рисунок 2 - Растр с элементами квадрата

Хотя возможно использование в качестве растрового элемента фигуры другой формы: треугольника, шестиугольника; соответствующего следующим требованиям:

−все фигуры должны быть одинаковые;

−должны полностью покрывать плоскость без наезжания и дырок.

Так в качестве растрового элемента возможно использование равностороннего треугольника (см. рис. 3), правильного шестиугольника (гексаэдра) (см. рис. 4) Можно строить растры, используя неправильные многоугольники, но практический смысл в подобных растрах отсутствует.

Рисунок 3- Треугольный растр

Рассмотрим способы построения линий в прямоугольном и гексагональном растре.

Рисунок 4 - «Гексагональный растр»

В прямоугольном растре построение линии осуществляется двумя способами:

) Результат - восьмисвязная линия. Соседние пиксели линии могут находится в одном из восьми возможных (см. рис. 5а) положениях

) Результат - четырехсвязная линия. Соседние пиксели линии могут находится в одном из четырех возможных (см. рис. 5б) положениях. Недостаток - избыточно толстая линия при угле 45°.

Рисунок 5 - Построение линии в прямоугольном растре

В гексагональном растре линии шестисвязные (см. рис. 6) такие линии более стабильны по ширине, т.е. дисперсия ширины линии меньше, чем в квадратном растре.

Рисунок 6 - Построение линии в гексагональном растре

Одним из способов оценки растра является передача по каналу связи кодированного, с учетом используемого растра, изображения с последующим восстановлением и визуальным анализом достигнутого качества.

Моделирование гексагонального растра. Возможно построение гексагонального растра на основе квадратного. Для этого гексаугольник представляют в виде прямоугольника.

Векторная графика.

Векторная графика описывает изображения с использованием прямых и изогнутых линий, называемых векторами, а также параметров, описывающих цвета и расположение. Например, изображение древесного листа (см. рис. 7.) описывается точками, через которые проходит линия, создавая тем самым контур листа. Цвет листа задается цветом контура и области внутри этого контура.

Рисунок 7 - Пример векторной графики

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. Такая особенность векторной графики дает ей ряд преимуществ перед растровой графикой, но в тоже время является причиной ее недостатков.

Векторную графику часто называют объектно-ориентированной графикой или чертежной графикой. 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 векторных рисунков необходимо использовать один из многочисленных иллюстрационных пакетов. Достоинство векторной графики в том, что описание является простым и занимает мало памяти компьютера. Однако недостатком является то, что детальный векторный объект может оказаться слишком сложным, он может напечататься не в том виде, в каком ожидает пользователь или не напечатается вообще, если принтер неправильно интерпретирует или не понимает векторные команды.

При редактировании элементов векторной графики изменяются параметры прямых и изогнутых линий, описывающих форму этих элементов. Можно переносить элементы, менять их размер, форму и цвет, но это не отразится на качестве их визуального представления. Векторная графика не зависит от разрешения, т.е. может быть показана в разнообразных выходных устройствах с различным разрешением без потери качества.

Векторное представление заключается в описании элементов изображения математическими кривыми с указанием их цветов и заполняемости.

Еще одно преимущество - качественное масштабирование в любую сторону. Увеличение или уменьшение объектов производится увеличением или уменьшением соответствующих коэффициентов в математических формулах. К сожалению, векторный формат становится невыгодным при передаче изображений с большим количеством оттенков или мелких деталей (например, фотографий). Ведь каждый мельчайший блик в этом случае будет представляться не совокупностью одноцветных точек, а сложнейшей математической формулой или совокупностью графических примитивов, каждый из которых, является формулой. Это приводит к утяжелению файла. Кроме того, перевод изображения из растрового в векторный формат (например, программой AdobeStrimeLine или Corel OCR-TRACE) приводит к наследованию последним невозможности корректного масштабирования в большую сторону. От увеличения линейных размеров количество деталей или оттенков на единицу площади больше не становится. Это ограничение накладывается разрешением вводных устройств (сканеров, цифровых фотокамер и др.).

Понятие фрактала и история появления фрактальной графики.

Вы, наверное, часто видели довольно хитроумные картины, на которых непонятно что изображено, но все равно необычность их форм завораживает и приковывает внимание. Как правило, это хитроумные формы не поддающиеся, казалось бы, какому-либо математическому описанию. Вы, к примеру, видели узоры на стекле после мороза или, к примеру, хитроумные кляксы, оставленные на листе чернильной ручкой, так вот что-то подобное вполне можно записать в виде некоторого алгоритма, а, следовательно, доступно объясниться с компьютером. Подобные множества называют фрактальными. Фракталы не похожи на привычные нам фигуры, известные из геометрии, и строятся они по определенным алгоритмам, а эти алгоритмы с помощью компьютера можно изобразить на экране. Вообще, если все слегка упростить, то фракталы - это некое преобразование многократно примененное к исходной фигуре.

Первые идеи фрактальной геометрии возникли в 19 веке. Кантор с помощью простой рекурсивной (повторяющейся) процедуры превратил линию в набор несвязанных точек (так называемая Пыль Кантора). Он брал линию и удалял центральную треть и после этого повторял то же самое с оставшимися отрезками. Пеано нарисовал особый вид линии (см. рис.8). Для ее рисования Пеано использовал следующий алгоритм.

Рисунок 8- Алгоритм рисования

На первом шаге он брал прямую линию и заменял ее на 9 отрезков длинной в 3 раза меньшей, чем длинна исходной линии (Часть 1 и 2 рисунка 1). Далее он делал то же самое с каждым отрезком получившейся линии. И так до бесконечности. Ее уникальность в том, что она заполняет всю плоскость. Доказано, что для каждой точки на плоскости можно найти точку, принадлежащую линии Пеано. Кривая Пеано и пыль Кантора выходили за рамки обычных геометрических объектов. Они не имели четкой размерности. Пыль Кантора строилась вроде бы на основании одномерной прямой, но состояла из точек, а кривая Пеано строилась на основании одномерной линии, а в результате получалась плоскость. Во многих других областях науки появлялись задачи, решение которых приводило к странным результатам, на подобие описанных (Броуновское движение, цены на акции).

Вплоть до 20 века шло накопление данных о таких странных объектах, без какой либо попытки их систематизировать. Так было, пока за них не взялся Бенуа Мандельброт - отец современной фрактальной геометрии и слова фрактал. Работая в IBM математическим аналитиком, он изучал шумы в электронных схемах, которые невозможно было описать с помощью статистики. Постепенно сопоставив факты, он пришел к открытию нового направления в математике - фрактальной геометрии.

Сам Мандельброт вывел слово fractal от латинского слова fractus, что означает разбитый (поделенный на части). И одно из определений фрактала - это геометрическая фигура, состоящая из частей и которая может быть поделена на части, каждая из которых будет представлять уменьшенную копию целого (по крайней мере, приблизительно).

Как только Мандельброт открыл понятие фрактала, оказалось, что мы буквально окружены ими. Фрактальны слитки металла и горные породы, фрактальны расположение ветвей, узоры листьев, капиллярная система растений; кровеносная, нервная, лимфатическая системы в организмах животных, фрактальны речные бассейны, поверхность облаков, линии морских побережий, горный рельеф...

Чтобы представить себе фрактал рассмотрим пример, приведенный в книге Б. Мандельброта «Фрактальная геометрия природы» ставший классическим - «Какова длина берега Британии?». Ответ на этот вопрос не так прост, как кажется. Все зависит от длины инструмента, которым мы будем пользоваться. Померив берег с помощью километровой линейки мы получим какую-то длину. Однако мы пропустим много небольших заливчиков и полуостровков, которые по размеру намного меньше нашей линейки. Уменьшив размер линейки до, скажем, 1 метра - мы учтем эти детали ландшафта, и, соответственно длина берега станет больше. Пойдем дальше и измерим длину берега с помощью миллиметровой линейки, мы тут учтем детали, которые больше миллиметра, длина будет еще больше. В итоге ответ на такой, казалось бы, простой вопрос может поставить в тупик кого угодно - длина берега Британии бесконечна.

Основное свойство фракталов - самоподобие. Любой микроскопический фрагмент фрактала в том или ином отношении воспроизводит его глобальную структуру. В простейшем случае часть фрактала представляет собой просто уменьшенный целый фрактал.

Отсюда основной рецепт построения фракталов: возьмите простой мотив и повторяйте его, постоянно уменьшая размеры. В конце концов выйдет структура, воспроизводящая этот мотив во всех масштабах. (рис.9)

Рисунок 9 - Мотив повторения фрактала

Берем отрезок и среднюю его треть переламываем под углом 60 градусов. Затем повторяем эту операцию с каждой из частей получившейся ломаной - и так до бесконечности. В результате мы получим простейший фрактал - триадную кривую, которую в 1904 году открыла математик Хельга фон Кох.

Если на каждом шаге не только уменьшать основной мотив, но также смещать и поворачивать его, можно получить более интересные и реалистически выглядящие образования, например, лист папоротника или даже целые их заросли. А можно построить весьма правдоподобный фрактальный рельеф местности и покрыть её очень симпатичным лесом. В 3D StudioMax, например, для генерации деревьев используется фрактальный алгоритм. И это не исключение - большинство текстур местности в современных компьютерных играх представляют фракталы. Горы, лес и облака на картинке - фракталы.

Файлы фрактальных изображений имеют расширение fif. Обычно файлы в формате fif получаются несколько меньше файлов в формате jpg, но бывает и наоборот. Самое интересное начинается, если рассматривать картинки с всё большим увеличением. Файлы в формате jpg почти сразу демонстрируют свою дискретную природу - появляется пресловутая лесенка. А вот fif файлы, как и положено фракталам, с ростом увеличения показывают все новую степень детализации структуры, сохраняя эстетику изображения.

Геометрические фракталы.

Именно с них и начиналась история фракталов. Этот тип фракталов получается путем простых геометрических построений. Обычно при построении этих фракталов поступают так: берется «затравка» - аксиома - набор отрезков, на основании которых будет строиться фрактал. Далее к этой «затравке» применяют набор правил, который преобразует ее в какую-либо геометрическую фигуру. Далее к каждой части этой фигуры применяют опять тот же набор правил. С каждым шагом фигура будет становиться все сложнее и сложнее, и если мы проведем бесконечное количество преобразований - получим геометрический фрактал.

Рассмотренная ранее кривая Пеано является геометрическим фракталом. На рисунке 10 приведены другие примеры геометрических фракталов (Снежинка Коха, Лист, Треугольник Серпинского).

Рисунок10- Снежинка Коха

Рисунок11-Лист

Рисунок 12 -Треугольник Серпинского

Из этих геометрических фракталов очень интересным и довольно знаменитым является - снежинка Коха. Строится она на основе равностороннего треугольника. Каждая линия которого заменяется на 4 линии каждая длинной в 1/3 исходной. Таким образом, с каждой итерацией длинна кривой увеличивается на треть. И если мы сделаем бесконечное число итераций - получим фрактал - снежинку Коха бесконечной длинны. Получается, что наша бесконечная кривая покрывает ограниченную площадь.

Размерность снежинки Коха (при увеличении снежинки в 3 раза ее длина возрастает в 4 раза) D=log(4)/log(3)=1.2619...

Для построения геометрических фракталов хорошо приспособлены так называемые L-Systems. Суть этих систем состоит в том, что имеется определенных набор символов системы, каждый из которых обозначает определенное действие и набор правил преобразования символов.

Алгебраические фракталы.

Вторая большая группа фракталов - алгебраические. Свое название они получили за то, что их строят, на основе алгебраических формул иногда весьма простых. Методов получения алгебраических фракталов несколько. Один из методов представляет собой многократный (итерационный) расчет функции Zn+1=f(Zn), где Z - комплексное число, а f - некая функция. Расчет данной функции продолжается до выполнения определенного условия. И когда это условие выполнится - на экран выводится точка. При этом значения функции для разных точек комплексной плоскости может иметь разное поведение:

−с течением времени стремится к бесконечности;

−стремится к 0;

−принимает несколько фиксированных значений и не выходит за их пределы;

−поведение хаотично, без каких либо тенденций.

Чтобы проиллюстрировать алгебраические фракталы обратимся к классике - множеству Мандельброта.

Рисунок13- Множество Мандельброта

Для его построения нам необходимы комплексные числа. Комплексное число - это число, состоящее из двух частей - действительной и мнимой, и обозначается оно a+bi. Действительная часть a это обычное число в нашем представлении, а bi - мнимая часть. i - называют мнимой единицей, потому, что если мы возведем i в квадрат, то получим -1.

Комплексные числа можно складывать, вычитать, умножать, делить, возводить в степень и извлекать корень, нельзя только их сравнивать. Комплексное число можно изобразить как точку на плоскости, у которой координата Х это действительная часть a, а Y это коэффициент при мнимой части b.

Функционально множество Мандельброта определяется как

1=Zn*Zn+C.

Для построения множества Мандельброта воспользуемся алгоритмом на Бейсике.a=-2 to 2 " для всех действительных а от -2 до 2b=-2 to 2 " для всех мнимых b от -2 до 2

"Принадлежит множеству Мандельброта=True

"Повторяем 255 раз (для режима 256 цветов)

For iteration=1 to 255=Z0*Z0+C

"Проверили - непринадлежитabs(Zn)>2 then Lake=False: Exit For0=Zn

"Нарисовали черную точку,принадлежащую"озеру" Мандельброта.

If Lake=True Then PutPixel(a,b,BLACK)

" Нарисовали точку не принадлежащую множеству или лежащую на границе.

Else PutPixel(a, b, iteration)

А теперь опишем программу словами. Для всех точек на комплексной плоскости в интервале от -2+2i до 2+2i выполняем некоторое достаточно большое количество раз Zn=Z0*Z0+C, каждый раз проверяя абсолютное значение Zn. Если это значение больше 2, что рисуем точку с цветом равным номеру итерации на котором абсолютное значение превысило 2, иначе рисуем точку черного цвета. Все множество Мандельброта в полной красе у нас перед глазами.

Черный цвет в середине показывает, что в этих точках функция стремится к нулю - это и есть множество Мандельброта. За пределами этого множества функция стремится к бесконечности. А самое интересное это границы множества. Они то и являются фрактальными. На границах этого множества функция ведет себя непредсказуемо - хаотично.

Меняя функцию, условия выхода из цикла можно получать другие фракталы. Например, взяв вместо выражения С=a+bi выражение Z0=a+bi, а С присваивать произвольные значения мы получим множество Жюлиа, тоже красивый фрактал.

Для множества Мандельброта тоже проявляется самоподобие.

Стохастические фракталы

Типичный представитель данного класса фракталов «Плазма».

Рисунок14-Плазма

Для ее построения возьмем прямоугольник и для каждого его угла определим цвет. Далее находим центральную точку прямоугольника и раскрашиваем ее в цвет равный среднему арифметическому цветов по углам прямоугольника плюс некоторое случайное число. Чем больше случайное число - тем более «рваным» будет рисунок. Если, например, сказать, что цвет точки это высота над уровнем моря, то получим вместо плазмы - горный массив. Именно на этом принципе моделируются горы в большинстве программ. С помощью алгоритма, похожего на плазму строится карта высот, к ней применяются различные фильтры, накладывается текстура.

компьютерный графика векторный анимация

Заключение

В данной курсовой работе был изучен такой вопрос как история развития компьютерной графики, были даны понятия основным видам компьютерной графики, рассмотрены возможности компьютерной графики.

Изучив литературы по данной теме можно сделать вывод, что история графики не стоит на месте, а стремительно развивается.

В дальнейшем можно подробнее рассмотреть виды компьютерной графики и рассмотреть программы работы в компьютерной графики.

Область применения компьютерной графики не ограничивается одними художественными эффектами. Во всех отраслях коммерческой управленческой деятельности используются построенные с помощью компьютера схемы, графики и диаграммы.

Список использованных источников

1 Разработка электронных учебных изданий. Создание и использование информационных средств обучения: учеб. пособие / Н.Д. Изергин, [и др.]. - М.: Коломна, 2006. - 160 с. - ISBN 5-89-5-89-655-8974-0.

Фестиваль педагогических идей «Открытый урок». Создание электронного учебника / под ред. Трегубова О.П. - М.: Россия. - Режим доступа: http://festival.1september.ru/articles/526252/. - 20.06.2011.

Каким должен быть электронный учебник. / В.Б. Ясинский // Электронный журнал: ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ, 2000. - Режим доступа: http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/011.pdf. - 21.06.2011.

Панкратова, Л.П.. Контроль знаний по информатике: Тесты, контрольные задания, экзаменационные вопросы, компьютерные проекты / Е.Н. Челак. СПб.: БХВ-Петербург. 2004. - 448 с. - ISBN 5-94157-371-5.

Стандарт Российской Федерации начального профессионального образования. Оператор электронно-вычислительных машин. ОСТ 9ПО 02.1.9 2002. 48 с.

Угринович, Н.Д. Информатика и информационные технологии. учебник / Н.Д. Угринович. Москва..: Издательство БИНОМ. Лаб. знаний, 2005. - 512 с. - ISBN 5-94774-001-8.

Информатика: учеб. пособие / А.В. Могилев. - 2-е изд., стер. - Москва..: Академия, 2008. - 336 с. - ISBN 978-5-7695-4771-3.

Практикум по информатике: учеб. пособие / А.В. Могилёв. Москва. Издательство Академия, 2001. 608 с. ISBN 5-7695-2247-Х.

Информатика. Учебник / В.А. Острейковский. 2-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2004. - 511 с. - ISBN 5-06-003533-6.

11 Microsoft Office Word 2003.Учеб. пособие / Б. Хислоп. Москва. Диалектика, 2004. 784 с. ISBN 5-8459-0646-6, 0-7645-3971-X.

12 Microsoft Office 2003. Учеб. пособие.О.А. Меженный. - М.: Диалектика, 2004. 368 с. ISBN 5-8459-0838-8.

Работа на персональном компьютере (ПК) в офисе: учебный курс / О.С.Степаненко. Москва. Издательство Вильямс. 3-е изд.,2006. - 768 с. - ISBN 5-8459-0974-0.

Захарова, Л.А. Microsoft Word 2003. Практ.пособие серия «Шаг за шагом» (+ CD-ROM) / Л.А. Захарова. - М.:СП ЭКОМ, 2005. - 384 с. - ISBN 5-9790-0005-4.

Бэдет, А. Глоссарий компьютерных терминов / Д. Бурдхардт, А. Камминг,[ и др]. - 10-е изд.,М.: Изд-во: Вильямс, 2002. - 432 с. - ISBN 5-8459-0363-7, 0-2017-7629-4.

Гукин, Д. Иллюстрированный компьютерный словарь / Д. Гукин, С.Х. Гукин. - 4-е изд., Москва. Изд-во Вильямс, 2005. - 512 с. - ISBN 5-8459-0207-X, 0-7645-0732-X;

Отправной точкой развития компьютерной графики можно считать 1930 год, когда в США нашим соотечественником Владимиром Зворыкиным, работавшим в компании “Вестингхаус” (Westinghouse), была изобретена электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), впервые позволяющая получать изображения на экране без использования механических движущихся частей.

Началом эры собственно компьютерной графики можно считать декабрь 1951 года, когда в Массачусеттском технологическом институте (МТИ) для системы противовоздушной обороны военно-морского флота США был разработан первый дисплей для компьютера “Вихрь”. Изобретателем этого дисплея был инженер из МТИ Джей Форрестер.

Одним из отцов-основателей компьютерной графики считается Айвен Сазерленд (Ivan Sotherland), который в 1962 году все в том же МТИ создал программу компьютерной графики под названием “Блокнот” (Sketchpad).Эта программа могла рисовать достаточно простые фигуры (точки, прямые, дуги окружностей), могла вращать фигуры на экране.

Под руководством Т. Мофетта и Н. Тейлора фирма Itek разработала цифровую электронную чертежную машину. В 1964 году General Motors представила систему автоматизированного проектирования DAC-1, разработанную совместно с IBM.

В 1965 году фирма IBM выпустила первый коммерческий графический терминал под названием IBM-2250 (рис.5).

В 1968 году группой под руководством Н. Н. Константинова была создана компьютерная математическая модель движения кошки. Машина БЭСМ-4,выполняя написанную программу решения дифференциальных уравнений, рисовала мультфильм «Кошечка» (рис.7), который для своего времени являлся прорывом. Для визуализации использовался алфавитно-цифровой принтер.

В 1977 году Commodore выпустила свой РЕТ (персональный электронный делопроизводитель), а компания Apple создала Apple-II. Появление этих устройств вызывало смешанные чувства: графика была ужасной, а процессоры медленными. Однако ПК стимулировали процесс разработки периферийных устройств: недорогих графопостроителей и графических планшетов.

К концу 80-х программное обеспечение имелось для всех сфер применения: от комплексов управления до настольных издательских комплексов. В конце восьмидесятых возникло новое направление рынка на развитие аппаратных и программных систем сканирования, автоматической оцифровки. Оригинальный толчок в таких системах должна была создать магическая машина Ozalid, которая бы сканировала и автоматически векторизовала чертеж на бумаге, преобразуя его в стандартные форматы CAD/CAM. Однако, акцент сдвинулся в сторону обработки, хранения и передачи сканируемых пиксельных.

В 90-х стираются отличия между КГ и обработкой изображения. Машинная графика часто имеет дело с векторными данными, а основой для обработки изображений является пиксельная информация.

Еще несколько лет назад каждый пользователь требовал рабочую станцию с уникальной архитектурой, а сейчас процессоры рабочих станций имеют быстродействие, достаточное для того, чтобы управлять как векторной, так и растровой информацией. Кроме того, появляется возможность работы с видео. Прибавьте аудиовозможности - и вы имеете компьютерную среду мультимедиа.

Все области применения - будь то искусство, инженерная и научная, бизнес/развлечения и - являются сферой применения КГ. Возрастающий потенциал ПК и их громадное число - обеспечивает устойчивый рост индустрии в данной отрасли.

Формирование общих понятий о компьютерной графике

Ежегодно 3 декабря отмечается Всемирный день компьютерной графики. Дата выбрана не просто так: этот день в англоязычном варианте - 3 December, то есть получается единственное в своем роде ключевое сочетание - 3December, или 3D.

Предложение о создании праздника поступило в 1998 году от американской компании Alias Systems (поглощена Autodesk), разработчика Maya, пакета трехмерного моделирования и анимации. Затем к событию подключились такие гиганты, как Adobe Systems, NVIDIA, Wacom и пр.

Вначале праздник отмечали только те, кто напрямую связан с созданием трехмерных изображений, чуть позже примкнули все прочие сферы, имеющие отношение к компьютерной графике в целом. Русскоязычное сообщество называет событие по-своему - "День 3D-шника".

Крупные отраслевые игроки всю первую декаду декабря отдают проведению всевозможных мероприятий, презентаций, семинаров и мастер-классов. Мы в свою очередь попробуем обрисовать общую картину становления и развития компьютерной графики. На полноту описания истории претендовать нет смысла, но обозначить основные вехи, предоставив поверхностный взгляд, все же можно.

1950-е годы: от текстовых изображений к графической консоли

В середине прошлого века компьютеры были не просто большими, а огромными, и драгоценное машинное время мейнфреймов использовалось исключительно для военных и промышленных нужд. Однако кому-то из заскучавших программистов пришла в голову идея эксплуатации печатающих устройств для вывода картинок и фотографий. Все просто: разница в плотности алфавитно-цифровых знаков вполне пригодна для создания изображений на бумаге - пусть даже они и получаются мозаичными, но вполне себе приемлемы для восприятия зрением на расстоянии.

ASCII-графика известна с конца XIX в., когда машинистки соревновались за лучший рисунок, выполненный на печатной машинке.
Иллюстрация: jackbrummet.blogspot.com.

В 1950 году Бенджамин Лапоски (Ben Laposky), математик, художник и чертежник, начал экспериментировать с рисованием на осциллографе. Танец света создавался сложнейшими настройками на этом электронно-лучевом приборе. Для запечатления изображений применялись высокоскоростная фотография и особые объективы, позже были добавлены пигментированные фильтры, наполнявшие снимки цветом.

Бен Лапоски рядом с осциллографом, которому он нашел необычное применение.
Иллюстрация: Sanford Museum.

Позже "осциллоны" стали цветными благодаря использованию светофильтров.
Иллюстрация: Sanford Museum.

"Визуальные ритмы и гармонии электронного абстрактного искусства" Лапоски прекрасно сочетались с аудиорядами, синтезированными Робертом Мугом (Robert Moog), пионером электронной музыки.

В 1951 году в Массачусетском технологическом институте (МТИ) для Военно-воздушных сил США было завершено строительство Whirlwind , первого компьютера с видеотерминалом (фактически осциллографом), выводящим данные в реальном масштабе времени.

Компьютер Whirlwind: память на магнитных сердечниках (слева) и операторская консоль.
Иллюстрация: Wikimedia.

В 1952 году появилась первая наглядная компьютерная игра - OXO , или крестики-нолики, разработанная Александром Дугласом (Alexander Douglas) для компьютера EDSAC в рамках кандидатской диссертации как пример взаимодействия человека с машиной. Ввод данных осуществлялся дисковым номеронабирателем, вывод выполнялся матричной электронно-лучевой трубкой.

Крестики-нолики OXO в эмуляторе EDSAC для Mac OS X.
Иллюстрация: Wikimedia.

В 1955 году родилось световое перо . На кончике пера находится фотоэлемент, испускающий электронные импульсы и одновременно реагирующий на пиковое свечение, соответствующее моменту прохода электронного луча. Достаточно синхронизировать импульс с положением электронной пушки, чтобы определить, куда именно указывает перо.

Световые перья вовсю использовались в вычислительных терминалах образца 1960-х годов.

IBM 2250. Световое перо на тот момент выступало аналогом компьютерной мыши.
Иллюстрация: Wikimedia.

В 1957 году для компьютера SEAC образца 1950-го при Национальном бюро стандартов США команда под руководством Расселла Керша (Russell Kirsch) разработала барабанный сканер, при помощи которого была получена первая в мире цифровая фотография. Изображение, на котором запечатлен трехмесячный сын ученого, получилась размером 5×5 см в разрешении 176×176 точек. Компьютер самостоятельно вычленил контуры, сосчитал объекты, распознал символы и отобразил цифровое изображение на экране осциллографа.

В 1958 году в МТИ запущен компьютер Lincoln TX-2 , впервые использующий графическую консоль. С этого момента компьютерная графика обретает настоящее приложение методик и наработок - векторный дисплей.

Рабочее место TX-2.
Иллюстрация: МТИ.

Приблизительно в это же время Джон Уитни (John Whitney), пионер компьютерной мультипликации, экспериментировал с механическим аналоговым компьютером, созданным им же самим из прибора управления зенитным огнем - предиктора Керрисона . Результатом совместной работы с дизайнером Солом Бассом (Saul Bass) стала спирографическая заставка к фильму "Головокружение" Альфреда Хичкока образца 1958 года.

Внимание! У вас отключен JavaScript, ваш браузер не поддерживает HTML5, или установлена старая версия проигрывателя Adobe Flash Player.

1960-е годы: от "Альбома" к мультипликации

Считается, что термин "компьютерная графика" придумал в 1960 году Уильям Феттер (William Fetter), дизайнер из Boeing Aircraft, хотя сам он утверждает, будто авторство принадлежит его коллеге Верну Хадсону (Verne Hudson). На тот момент возникла нужда в средствах описания строения человеческого тела, причем одновременно с высокой точностью и в пригодном для изменения виде. Для решения поставленной задачи компьютерная графика подходила идеально.

"Человек Боинга" (Boeing Man). Компьютерная графика помогала здорово экономить время и силы в проектировании самолетов.
Иллюстрация: Boeing.

И хотя первые компьютерные игры уже были реализованы, первой настоящей видеоигрой следует считать "Звездные войны" (Spacewar!). Игрушку воплотил в 1962 году студент МТИ Стив Рассел (Steve Russel) вместе с коллегами, и она запускалась на компьютере DEC PDP-1 , используя пресловутый осциллограф в качестве дисплея.

В 1963 году Айвен Сазерленд (Ivan Sutherland), другой учащийся МТИ, написал для TX-2 компьютерную программу "Альбом" (Sketchpad). Она, на тот момент по праву революционная, дала машинной графике огромный толчок вперед, послужила прообразом для систем автоматизированного проектирования (САПР), впервые описала элементы современных пользовательских интерфейсов и объектно ориентированных языков программирования.

"Альбом" посредством светового пера позволял рисовать на дисплее векторные фигуры, сохранять их, обращаться к готовым примитивам. Ключевым моментом было использование концепции "объектов" и "экземпляров": эталонный чертеж можно было многократно копировать, меняя каждый из эскизов по своему вкусу, и, если вносились правки в исходный чертеж, соответствующим образом перестраивались его дубликаты.

Айвен Сазерленд демонстрирует "Альбом" на графической консоли TX-2. За свою программу он в 1988 году получил премию имени Алана Тьюринга, которая в компьютерном мире по значимости сравнима с Нобелевской.
Иллюстрация: МТИ.

Еще одним важным изобретением "Альбома" были инструменты автоматического рисования геометрических фигур: достаточно указать местоположение и размеры, к примеру, квадрата, чтобы он был нарисован - заботиться о точных прямых углах не приходилось.

Тогда же Эдвард Зейджек (Edward Zajac), ученый из Bell Telephone Laboratories, подготовил на мейнфрейме IBM 7090 анимационный фильм "Моделирование двухгироскопной гравитационной управляющей системы", в котором показал пространственное перемещение спутника, вращающегося на орбите Земли.

Внимание! У вас отключен JavaScript, ваш браузер не поддерживает HTML5, или установлена старая версия проигрывателя Adobe Flash Player.

Параллельно Кен Ноултон (Ken Knowlton), сотрудник той же компании, придумал BeFlix (от Bell Flicks), первый специализированный язык компьютерной анимации на основе Фортрана. Он, работая с "графическими примитивами" вроде рисования линии, копирования области, заполнения зоны, масштабирования и пр., позволял создавать изображения с восемью полутонами и разрешением 252×184 точек.

В период 1965-1971 годов на основе BeFlix режиссером-экспериментатором Стэном Вандербиком (Stan VanDerBeek) была создана серия мультипликаций Evans & Sutherland . Ее сформировали нам уже известный Айвен Сазерленд и Дэвид Эванс (David Evans), вплотную изучающий аспекты визуального взаимодействия компьютера с человеком.

Техническое оснащение созданной лаборатории, всесторонне сфокусировавшейся на вопросах создаваемых компьютерами изображений (CGI) - в том числе оборудования реального времени, ускорения трехмерной графики и создания принтерных языков, было достаточно мощным, чтобы привлечь целую когорту перспективных специалистов.

Так, среди примкнувших оказались Эдвин Кэтмелл (Edwin Catmull), который понял, что мультипликацию следует переложить на плечи компьютеров, Джон Уорнок (John Warnock), сооснователь Adobe Systems и разработчик концепции революционного в издательском деле языка описания страниц PostScript, Джеймс Кларк (James Clark), совместно основавший Silicon Graphics и Netscape Communications.

Эд Кэтмелл, его считают отцом компьютерной мультипликации. Сейчас он занимает пост президента Walt Disney и Pixar, мирового лидера по практическому внедрению компьютерной графики в киноиндустрию.
Иллюстрация: Flickr/Jeff Heusser.

В 1968 году в СССР снят мультфильм "Кошечка" , ставший первым, в котором появился анимированный компьютером персонаж.

Группа специалистов под руководством математика Николая Константинова обратилась к вычислительной машине БЭСМ-4 , которая с достаточной степенью реализма моделировала движения кошки через систему дифференциальных уравнений второго порядка. Каждый кадр выводился на печатающее устройство, затем все они были объединены в ленту.

Внимание! У вас отключен JavaScript, ваш браузер не поддерживает HTML5, или установлена старая версия проигрывателя Adobe Flash Player.

Во второй части погружения в историю компьютерной графики мы разберем вопросы алгоритмов.!

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!") 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.

В середине 1960-х гг. появились разработки в промышленных приложениях компьютерной графики. Так, под руководством Т. Мофетта и Н. Тейлора фирма Itek разработала цифровую электронную чертёжную машину. В 1964 году General Motors представила систему автоматизированного проектирования DAC-1, разработанную совместно с IBM.

В 1964 году группой под руководством Н. Н. Константинова была создана компьютерная математическая модель движения кошки. Машина БЭСМ-4, выполняя написанную программу решения дифференциальных уравнений, рисовала мультфильм "Кошечка", который для своего времени являлся прорывом. Для визуализации использовался алфавитно-цифровой принтер.

В 1968 году существенный прогресс компьютерная графика испытала с появлением возможности запоминать изображения и выводить их на компьютерном дисплее, электронно-лучевой трубке.

В конце 60-х - начале 70-х в области компьютерной графики начали работать новые фирмы. Если ранее для выполнения каких-либо работ покупателям приходилось устанавливать уникальное оборудование и разрабатывать новое программное обеспечение, то с появлением разнообразных пакетов программ, облегчающих процесс создания изображений, чертежей и интерфейсов, ситуация существенно изменилась.

За десятилетие системы стали настолько совершенны, что почти полностью изолировали пользователя от проблем, связанных с программным обеспечением.

В конце 70-х в компьютерной графике произошли значительные изменения. Появилась возможность создания растровых дисплеев, имеющих множество преимуществ: вывод больших массивов данных, устойчивое, не мерцающее изображение, работа с цветом. Впервые стало возможным получение цветовой гаммы. Растровая технология в конце 70-х стала явно доминирующей. Наиболее знаменательным событием в области компьютерной графики стало создание конце 70-х персонального компьютера. В 1977 году компания Apple создала Apple-II. Появление этого устройства вызывало смешанные чувства: графика была ужасной, а процессоры медленными. Однако персональные компьютеры стимулировали процесс разработки периферийных устройств. Конечно, персональные компьютеры развивались как важная часть машинной графики, особенно с появлением в 1984 году модели Apple Macintosh с их графическим интерфейсом пользователя.

Первоначально областью применения персонального компьютера были не графические приложения, а работа с текстовыми процессорами и электронными таблицами, но его возможности как графического устройства побуждали к разработке относительно недорогих программ как в области CAD/CAM, так и в более общих областях бизнеса и искусства. К концу 80-х программное обеспечение имелось для всех сфер применения: от комплексов управления до настольных издательств. В конце 80-х возникло новое направление рынка на развитие аппаратных и программных систем сканирования, автоматической оцифровки. Оригинальный толчок в таких системах должна была создать магическая машина Ozalid, которая бы сканировала и автоматически векторизовала чертеж на бумаге, преобразовывая его в стандартные форматы.

Однако акцент сдвинулся в сторону обработки, хранения и передачи сканируемых пиксельных изображений.

В 90-х стираются отличия между компьютерной графикой и обработкой изображения. Машинная графика часто имеет дело с векторными данными, а основой для обработки изображений является пиксельная информация. Еще несколько лет назад каждый пользователь требовал рабочую станцию с уникальной архитектурой, а сейчас процессоры рабочих станций имеют быстродействие, достаточное для того, чтобы управлять как векторной, так и растровой информацией.

Кроме того, появляется возможность работы с видео. Прибавьте аудио возможности, и вы получите компьютерную среду мультимедиа. Возрастающий потенциал персональных компьютеров и их громадное число - порядка 100 миллионов - обеспечивает устойчивый рост индустрии в отрасли. Графика все шире проникает в бизнес - сегодня фактически нет документов, созданных без использования какого-либо графического элемента.

Научная графика

Первые компьютеры использовались лишь для решения научных и производственных задач. Чтобы лучше понять или представить полученные результаты, производили их графическую обработку (строили графики, диаграммы, чертежи рассчитанных конструкций). Первые графики на машине получали в режиме символьной печати.

Деловая графика

Деловая графика - область компьютерной графики, предназначенная для наглядного представления различных показателей работы учреждений. Плановые показатели, отчетная документация, статистические сводки - вот объекты, для которых с помощью деловой графики создаются иллюстративные материалы. Программные средства деловой графики включаются в состав электронных таблиц.

Конструкторская графика

Используется в работе инженеров-конструкторов, архитекторов, изобретателей новой техники. Этот вид компьютерной графики является обязательным элементом САПР (систем автоматизации проектирования). Средствами конструкторской графики можно получать как плоские изображения (проекции, сечения), так и пространственные трехмерные изображения. Этот вид компьютерной графики является обязательным элементом САПР.

Иллюстративная графика

Произвольное рисование и черчение с помощью компьютера. Пакеты иллюстративной графики относятся к прикладному программному обеспечению общего назначения. Простейшие программные средства иллюстративной графики называются графическими редакторами.

Стала популярной во многом благодаря телевидению. С помощью компьютера создаются рекламные ролики, мультфильмы, компьютерные игры, видеоуроки, видеопрезентации и т.д. Графические пакеты для этих целей требуют больших ресурсов компьютера по быстродействию и памяти. Отличительной особенностью этих графических пакетов является возможность создания реалистических изображений и "движущихся картинок".

Получение рисунков трехмерных объектов, их повороты, приближения, удаления, деформации связано с большим объемом вычислений. Передача освещенности объекта в зависимости от положения источника света, от расположения теней, от фактуры поверхности, требует расчетов, учитывающих законы оптики.

Компьютерная анимация

Получение движущегося изображения на экране дисплея. Есть много программных продуктов, в которых художник создает на экране рисунки начального и конечного положения движущихся объектов, все промежуточные состояния рассчитывает и изображает компьютер, выполняя расчеты, опирающиеся на математическое описание данного вида движения. Полученные рисунки, выводимые последовательно на экран с определенной частотой, создают иллюзию движения.

Мультимедиа - это объединение высококачественного изображения на экране монитора со звуковым сопровождением. Наибольшее распространение системы мультимедиа получили в области обучения, рекламы, кино, развлечений и т.д.

Графика для Интернета

Появление глобальной сети Интернет привело к тому, что компьютерная графика стала неотъемлемой частью в ней. Все больше совершенствуются способы передачи визуальной информации, разрабатываются более совершенные графические форматы, ощутимо желание использовать трехмерную графику, анимацию, весь спектр мультимедиа.

История развития компьютерной графики

Исторически первыми интерактивными системами считаются системы автоматизированного проектирования (САПР) . Пример: AutoCAD, КОМПАС и т.п.
Сейчас становятся все более популярными геоинформационные системы (ГИС) . Это относительно новая для массовых пользователей разновидность систем интерактивной компьютерной графики.
Типичными для любой ГИС являются такие операции - ввод и редактирование объектов с учетом их расположения на поверхности Земли, формирование разнообразных цифровых моделей, запись в базы данных, выполнение разнообразных запросов к базам данных. Важной операцией является анализ с учетом пространственных, топологических отношений множества объектов, расположенных на некоторой территории.

Виды компьютерной графики

Компьютерная графика - раздел информатики, который изучает средства и способы создания и обработки графических изображений при помощт компьютерной техники. Несмотря на то, что для работы с компьютерной графикой существует множество классов программного обеспечения, различают четыре вида компьютерной графики. Это растровая графика, векторная графика, трёхмерная и фрактальная графика. Они отличаются принципами формирования изображения при отображении на экране монитора или при печати на бумаге.

Растровую графику применяют при разработке электронных (мультимедийных) и полиграфических изданий. Иллюстрации, выполненные средствами растровой графики, редко создают вручную с помощью компьютерных программ. Чаще для этой цели используют отсканированные иллюстрации, подготовленные художником на бумаге, или фотографии. В последнее время для ввода растровых изображений в компьютер нашли широкое применение цифровые фото- и видеокамеры. Соответственно, большинство графических редакторов, предназначенных для работы с растровыми иллюстрациями, ориентированы не столько на создание изображений, сколько на их обработку. В Интернете применяют растровые иллюстрации в тех случаях, когда надо передать полную гамму оттенклв цветного изображения.

Программные средства для работы с векторной графикой наоборот предназначены, в первую очередь, для создания иллюстраций и в меньшей степени для их обработки. Такие средства широко используют в рекламных агентствах, дизайнерских бюро, редакциях и издательствах. Оформительские работы, основанные на применении шрифтов и простейших геометрических элементов, решаются средствами векторной графики намного проще. Существуют примеры высокохудожественных произведений, созданных средствами векторной графики, но они скорее исключение, чем правило, поскольку художественная подготовка иллюстраций средствами векторной графики чрезвычайно сложна.

Трёхмерная графика широко используется в инженерном программировании, компьютерном моделировании физических объектов и процессов, в мультипликации, кинемотографии и компьютерных играх.

Программные средства для работы с фрактальной графикой предназначены для автоматической генерации изображений путем математических расчетов. Создание фрактальной художественной композиции состоит не в рисовании или оформлении, а в программировании. Фрактальную графику редко применяют для создания печатных или электронных документов, но ее часто используют в развлекательных программах.

Растровая графика

Основным (наименьшим) элементом растрового изображения является точка. Если изображение экранное, то эта точка называется пикселом. Каждый пиксел растрового изображения имеет свойства: размещение и цвет. Чем больше количество пикселей и чем меньше их размеры, тем лучше выглядит изображение. Большие объемы данных - это основная проблема при использовании растровых изображений. Для активных работ с большеразмерными иллюстрациями типа журнальной полосы требуются компьютеры с исключительно большими размерами оперативной памяти (128 Мбайт и более). Разумеется, такие компьютеры должны иметь и высокопроизводительные процессоры. Второй недостаток растровых изображений связан с невозможностью их увеличения для рассмотрения деталей. Поскольку изображение состоит из точек, то увеличение изображения приводит только к тому, что эти точки становятся крупнее и напоминают мозаику. Никаких дополнительных деталей при увеличении растрового изображения рассмотреть не удается. Более того, увеличение точек растра визуально искажает иллюстрацию и делает её грубой. Этот эффект называется пикселизацией.

Векторная графика

Как в растровой графике основным элементом изображения является точка, так в векторной графике основным элементом изображения является линия (при этом не важно, прямая это линия или кривая). Разумеется, в растровой графике тоже существуют линии, но там они рассматриваются как комбинации точек. Для каждой точки линии в растровой графике отводится одна или несколько ячеек памяти (чем больше цветов могут иметь точки, тем больше ячеек им выделяется). Соответственно, чем длиннее растровая линия, тем больше памяти она занимает. В векторной графике объем памяти, занимаемый линией, не зависит от размеров линии, поскольку линия представляется в виде формулы, а точнее говоря, в виде нескольких параметров. Что бы мы ни делали с этой линией, меняются только ее параметры, хранящиеся в ячейках памяти. Количество же ячеек остается неизменным для любой линии.

Линия - это элементарный объект векторной графики. Все, что есть в векторной иллюстрации, состоит из линий. Простейшие объекты объединяются в более сложные, например объект четырехугольник можно рассматривать как четыре связанные линии, а объект куб еще более сложен: его можно рассматривать либо как двенадцать связанных линий, либо как шесть связанных четырехугольников. Из-за такого подхода векторную графику часто называют объектно-ориентированной графикой. Мы сказали, что объекты векторной графики хранятся в памяти в виде набора параметров, но не надо забывать и о том, что на экран все изображения все равно выводятся в виде точек (просто потому, что экран так устроен). Перед выводом на экран каждого объекта программа производит вычисления координат экранных точек в изображении объекта, поэтому векторную графику иногда называют вычисляемой графикой. Аналогичные вычисления производятся и при выводе объектов на принтер. Как и все объекты, линии имеют свойства. К этим свойствам относятся: форма линии, ее толщина, цвет, характер линии (сплошная, пунктирная и т.п.). Замкнутые линии имеют свойство заполнения. Внутренняя область замкнутого контура может быть заполнена цветом, текстурой, картой. Простейшая линия, если она не замкнута, имеет две вершины, которые называются узлами. Узлы тоже имеют свойстьа, от которых зависит, как выглядит вершина линии и как две линии сопрягаются между собой.