Общее введение в компьютерную графику Лекция № 1
Основные вопросы Предмет и области применения компьютерной графики. Краткая история развития компьютерной графики. Технические средства поддержки компьютерной графики: ЭЛТ, устройства ввода, видеоадаптер, графопостроители, принтеры, сканеры. Программные средства поддержки компьютерной графики: драйверы устройств, библиотеки графических программ, специализированные графические системы и пакеты программ
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА дисциплины ДВ 2. 04. 1 Прикладные пакеты компьютерной графики (индекс и наименование дисциплины) по направлению подготовки 090900 - Информационная безопасность (код и наименование специальности) квалификация (степень) – «бакалавр» __ института/факультета __Информационных технологий и безопасности Куб. ГТУ___ кафедра-разработчик компьютерных технологий и информационной безопасности
Вид учебной работы и формы контроля Общая трудоемкость дисциплины: в зачетных единицах в часах Аудиторные занятия, часов: лекции практические занятия (ПЗ) семинарские занятия (СЗ) лабораторные работы (ЛР) Самостоятельная работа, часов курсовой проект (работа) расчетно графические работы прочие виды самостоятельной работы Зачет, Экзамен Дневная форма всего курс, семестр 2 72 1/2 36 18 18 36 1/2
1. Цели и задачи дисциплины Изучение “ Прикладных пакетов компьютерной графики ” как дисциплины математического и естественнонаучного цикла направлено на достижение следующих целей: повышение уровня теоретической и практической подготовки студентов важных прикладных вопросах современной вычислительной техники и информатики; развитие профессиональной культуры, формирование научного мировоззрения и развитие системного мышления; привитие стремления к поиску оптимальных, простых и надежных решений; расширение кругозора. Задачи дисциплины “ Прикладные пакеты компьютерной графики ”– дать студентам знания по вопросам: теоретических основ построения реалистического изображения на экране монитора и других средствах вывода графических изображений; анализа различных методов и алгоритмов, применяемых в данной области. Дисциплина входит в состав цикла математических и естественнонаучных дисциплин и является дисциплиной по выбору студентов и читается на первом курсе и предполагает использование базы знаний полученных студентом при обучении в среднем образовательном учреждении по дисциплине «Информатика» , поэтому требований к входным знаниям, умениям и компетенциям студента, необходимым для ее изучения, не предъявляется.
2. Требования к результатам освоения дисциплины: Изучение дисциплины направлено на формирование следующих компетенций: общекультурных компетенций (ОК): способности осознавать необходимость соблюдения Конституции Российской Федерации, прав и обязанностей гражданина своей страны, гражданского долга и проявления патриотизма (ОК – 1); способности осознавать социальную значимость своей будущей профессии, обладать высокой мотивацией к выполнению профессиональной деятельности в области обеспечения информационной безопасности, готовности и способности к активной состязательной деятельности в условиях информационного противоборства (ОК – 7); способности к саморазвитию, самореализации, приобретению новых знаний, повышению своей квалификации и мастерства (ОК – 11);
профессиональных компетенций (ПК): способности собрать и провести анализ исходных данных для проектирования подсистем и средств обеспечения информационной безопасности (ПК – 18); способности применять методы анализа изучаемых явлений, процессов и проектных решений (ПК – 20); способности осуществлять подбор, изучение и обобщение научно-технической литературы, нормативных и методических материалов по вопросам обеспечения информационной безопасности (ПК – 24);
В результате изучения дисциплины студент должен: знать: характеристики и параметры технических средств построения графических изображений; основы построения графических изображений; алгоритмы, используемые в компьютерной графике; уметь: использовать средства ввода графической информации в компьютер; использовать программные средства компьютерной графики; применять полученные знания при выполнении курсовых проектов и выпускных квалификационных работ, а также в ходе научных исследований; владеть: навыками использования пакетами прикладных программ компьютерной графики для подготовки изображений к публикации при выполнении курсовых проектов и выпускных квалификационных работ, а также в ходе научных исследований. Дисциплина является предшествующей для дисциплин предполагающих разработку курсовых проектов и написание контрольных работ, согласно учебному плану по подготовке бакалавров, а также для проведения исследований в рамках научной работы студентов и при подготовке выпускной квалификационной роботы.
3. 1. Тематический план дисциплины № раздела дисциплины Наименование раздела дисциплины Практиче ские Лекции (семинарские ) занятия * 1 Введение. Основы компьютерной графики * 2 Алгоритмические основы компьютерной графики * 3 Технические основы компьютерной графики Заключение Лабора торные работ ы * * *
№ раздел а дисцип. 1. Наименование раздела, подраздела и их содержание Введение. Основы компьютерной графики Количество часов дневная заочная форма обучения 4 Основные направления информатики, связанные с изображением на мониторе: распознавание образов, обработка изображений и компьютерная графика. Задачи, решаемые в каждом из указанных разделов. Предмет пакеты прикладных программ компьютерной графики и направления исследований. Содержание курса и его разделы. Преобразования в двухмерном и трехмерном пространствах. Понятие проецирование объектов и изображений. Виды проекций. Процесс масштабирования и нахождение параметров. 2. Алгоритмические основы компьютерной графики 8 Аппроксимация непрерывного пространства в дискретной реализации. Геометрическое сглаживание В сплайнами. Построение реалистических изображений методами фрактальной геометрии. Понятие размерности пространства. Топология фигур в пространстве. Искривленность пространства. Наполненность пространства. Психофизиологические аспекты восприятия пространства и воспроизведения его на плоскости. Методы удаления невидимых линий. Психофизиологические аспекты восприятия цвета и света. Виды отражения (диффузное и зеркальное). Аппроксимация света на модели Фонга. Модели цвета 3. Технические основы компьютерной графики Заключение Организация ресурсов памяти в компьютерной графике. Организация временных ресурсов в компьютерной графике. Аппаратные решения в компьютерной графике. Физические принципы графических компьютерных устройств. Оборудование для компьютерной графики. Итоги изучения курса. Методические рекомендации по применению полученных знаний, умений и навыков при изучении последующих курсов. 6
№ раздела дисциплины 1 2 3 Наименование и № лабораторной работы Знакомство с Corel. DRAW. Построение фигур, линий и сложных объектов. Интерактивное перетекание. Имитация объема. Лабораторная работа № 1/ Corel. DRAW. Power. Clip. Построение растровых изображений/ Интерактивный объем. Интерактивное искажение. Имитация объема. Применение навыков. Лабораторная работа № 2. Знакомство с Photo. Shop. Работа со шрифтом. Текстовые эффекты. Лабораторная работа № 3. Создание различных эффектов в Photo. Shop. Лабораторная работа № 4. Знакомство с 3 D Studio MAX. Создание простых объектов и управление ими. Добавление освещения в сцену. Лофтинг. Моделирование при помощи лофтинга. Анимация объектов. Лабораторная работа № 5. Создание презентаций в среде Power. Point. Лабораторная работа № 6. Количество часов дневная форма обучения 2 2 4 2 6 2
№ раздела дисциплин ы 1 3 1 2 3 Вид самостоятельной работы Проработка лекционного материала Подготовка к лабораторным занятиям Письменный реферат по разделу «Основы компьютерной графики» Письменный реферат по разделу «Алгоритмические основы компьютерной графики» Письменный реферат по разделу «Технические основы компьютерной графики» Всего часов самостоятельной работы: Ко личест во часов 6 20 2 Сроки выполнения (недели семестра) Порядко вый номер источ ника по списку литера туры в соот вествии с п. 4. 1 В течение 1 3 семестра 3 1 8 4 9 1 8 4 14 1 8 36
4. Учебно-методическое обеспечение дисциплины: 4. 1. Основная, дополнительная и нормативная литература: Основная литература: Е. В. Васильев, А. В. Морозов Компьютерная графика Учебное пособие СПб. : СЗТУ -2005 г. - 105 с Л. А. Залотова Компьютерная графика. Элективный курс. Учебное пособие. М: . БИНОМ –Лаборатория знаний 2005 г. -212 с , 16 ил. Л. А. Залотова Компьютерная графика. Элективный курс. Практикум. М: . БИНОМ –Лаборатория знаний 2005 г. -245 с , 16 ил.
Дополнительная литература: Учебные пособия: 1. Павлова Л. В. Нетрадиционные подходы к обучению черчению: Учеб. пособие / Нижегород. гос. тех. ун-т. Н. Новгород, 2002. - 70 с. (Гриф Ученого совета НГТУ). Князьков В. В. Основы автоматизированного проектирования: Учеб. пособие / Нижегород. гос. тех. ун-т. Н. Новгород, 2004. - 177 с. (Гриф: Допущено учебно-методическим объединением вузов по образованию в области автоматизированного машиностроения (УМО АМ) в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки дипломированных специалистов "Конструкторскотехнологическое обеспечение машиностроительных производств", "Автоматизированные технологии и производства"). 2. Скобелева И. Ю. , Мухина М. Л. , Ширшова И. А. Начертательная геометрия: Учеб. пособие / Нижегород. гос. тех. ун-т. Н. Новгород, 2006. - 150 с. (Гриф: Допущено учебно-методическим объединением вузов по образованию в области автоматизированного машиностроения (УМО АМ) в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки дипломированных специалистов "Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств", "Автоматизированные технологии и производства").
3. Иудина Т. М. , Кирилловых Т. В. , Черноталова К. Л. , Ширшова И. А. Инженерная компьютерная графика: Комплекс учебно-методических материалов для студентов заочной и дистанционной форм обучения / Нижегород. гос. тех. ун-т. Н. Новгород, 2006. - 120 с. (Гриф Ученого совета НГТУ). 4. Гареева Л. В. , Скобелева И. Ю, Ширшова И. А. Начертательная геометрия: Комплекс учебно-методических материалов для студентов заочной и дистанционной форм обучения / Нижегород. гос. тех. ун-т. Н. Новгород, 2006. - 111 с. (Гриф Ученого совета НГТУ). 5. Ширшова И. А. , Скобелева И. Ю. , Гареева Л. В. , Князьков В. В. Инженерная графика: Комплекс учебно-методических материалов для студентов заочной и дистанционной форм обучения. Ч. 1 / Нижегород. гос. тех. ун-т. Н. Новгород, 2008. - 140 с. (Гриф Ученого совета НГТУ). 6. Скобелева И. Ю. , Ширшова И. А. , Гареева Л. В. , Князьков В. В. Инженерная графика: Комплекс учебно-методических материалов для студентов заочной и дистанционной форм обучения. Ч. 2 / Нижегород. гос. тех. ун-т. Н. Новгород, 2008. - 127 с. (Гриф Ученого совета НГТУ).
Предмет и область применения компьютерной графики Компьютерная графика - это область информатики, которая охватывает все стороны формирования изображений с помощью компьютера.
Сфера применения компьютерной графики включает четыре основных области. 1. Отображение информации 2. Проектирование 3. Моделирование 4. Графический пользовательский интерфейс
В современной компьютерной графике можно выделить следующие основные направления: üизобразительная компьютерная графика, üобработка и анализ изображений, üанализ сцен (перцептивная компьютерная графика), ü компьютерная графика для научных абстракций (когнитивная компьютерная графика, т. е. графика, способствующая познанию).
Изобразительная компьютерная графика своим предметом имеет синтезированные изображения. Основные виды задач, которые она решает, сводятся к следующим: Øпостроение модели объекта и формирование изображения; Øпреобразование модели и изображения; Øидентификация объекта и получение требуемой информации.
Обработка и анализ изображений касаются в основном дискретного (цифрового) представления фотографий и других изображений. Средства компьютерной графики здесь используются для: §повышения качества изображения; §оценки изображения - определения формы, местоположения, размеров и других параметров требуемых объектов; §распознавания образов - выделения и классификации свойств объектов (при обработке аэрокосмических снимков, вводе чертежей, в системах навигации, обнаружения и наведения).
Анализ сцен связан с исследованием абстрактных моделей графических объектов и взаимосвязей между ними. Объекты могут быть как синтезированными, так и выделенными на фотоснимках. К таким задачам относятся, например, vмоделирование "машинного зрения" (роботы), vанализ рентгеновских снимков с выделением и отслеживанием интересующего объекта (внутреннего органа), vразработка систем видеонаблюдения.
Когнитивная компьютерная графика - только формирующееся новое направление, пока еще недостаточно четко очерченное. Это - компьютерная графика для научных абстракций, способствующая рождению нового научного знания. Технической основой для нее являются мощные ЭВМ и высокопроизводительные средства визуализации.
УСТРОЙСТВА УКАЗАНИЯ (POINTING DEVICE) Мышь Трекбол
Джойстик Световое перо Спейсбол
Планшет Перчатка для ввода данных
Графические устройства современной ЭВМ
ЭЛТ Монитор
Принцип работы • Внутренняя поверхность ЭЛ-трубки покрыта люминофором – Люминофорный слой состоит из «триад» - три точки, соответствующие красному, синему и зеленому цветам • В трубке находятся электронные пушки, испускающие электронные лучи • Эти лучи попадают на триады, заставляя их светиться с различной интенсивностью • В совокупности эти три цвета каждой триады дают нужный цветовой оттенок пикселя
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Electron guns Electron beams Focusing coils Deflection coils Anode connection Mask for separating beams for red, green, and blue part of displayed image Phosphor layer with red, green, and blue zones Close-up of the phosphor-coated inner side of the screen
Жидкокристаллический монитор
Принцип работы • Яркость пикселей ЖК-монитора меняется за счет изменения угла поворота жидких кристаллов под действием приложенного электрического поля – Кристаллы пропускают свет через поляризаторы, поэтому угол поворота кристалла «открывает» ячейку или «закрывает» ее для пропускаемого света
1. Glass plates 2&3. Horizontal and vertical polarisers 4. RGB colour mask 5&6. Horizontal and vertical command lines 7. Rugged polymer layer 8. Spacers 9. Thin film transistors 10. front electrode 11. rear electrodes
Графический адаптер • Это аппаратной устройство, преобразующее изображение, находящееся в памяти компьютера в видеосигнал для монитора – Современная видеокарта обычно является платой расширения, вставляемой в AGP или PCI -Express слот материнской платы
Видеокарта ATI Radeon X 1950 Crossfire Edition
Графический процессор (GPU – Graphics Processing Unit) • Обрабатывает двух- и трехмерные изображения, освобождая от этой обязанности центральный процессор • Обладает высокой эффективностью: – Трехмерные преобразования сотен миллионов вершин в секунду – Растеризация миллиардов пикселей в секунду
Видеоконтроллер • отвечает за формирование изображения в видеопамяти • дает команды RAMDAC на формирование сигналов развертки для монитора • осуществляет обработку запросов центрального процессора.
Видеопамять • Буфер кадра – Хранит в цифровом формате растровое изображение, генерируемое и постоянно изменяемое графическим процессором и выводимое на экран монитора (или нескольких мониторов) • Данные для обработки 3 D-графики – Полигональные сетки – Текстуры – Шейдеры • Видеоадаптером может использоваться также часть системной памяти компьютера – Доступ к этой памяти осуществляется посредством шины AGP или PCI-Express
Цифро-аналоговый преобразователь (RAMDAC) • Служит для преобразования изображения, формируемого видеоконтроллером, в уровни интенсивности цвета, подаваемые на аналоговый монитор – От характеристик RAMDAC зависит возможный диапазон цветности подаваемого сигнала
• Для каждого цветового канала (R, G или B) RAMDAC имеет свой ЦАП • Большинство ЦАП имеют разрядность 8 бит – по 256 градаций яркости на каждый цветовой канал
Видео-ПЗУ • Содержит видео-BIOS – Используется для инициализации и работы видеоадаптера до загрузки ОС и драйвера видеокарты • Экранные шрифты и служебные таблицы
Система охлаждения • Предназначена для сохранения температурного режима видеопроцессора и видеопамяти в допустимых пределах
Видео-драйвер • Поставляется производителем видео-чипа, что позволяет наиболее полно и эффективно использовать возможности видеоадаптера – Загружается в процессе запуска ОС – Обеспечивает управление работой видеоадаптера путем программирования его регистров через порты ввода-вывода
Буфер кадра • Все современные видеоадаптеры формируют растровое изображение, для хранения которой используется двухмерный массив пикселей, который располагается в видеопамяти • Этот участок памяти называется буфером кадра (Frame buffer)
Разрешение • Размер буфера кадра зависит от текущего разрешения – количества пикселей, отображаемых на экране – Типичные экранные разрешения: • • 640*480 800*600 1024*768 1280*1024 – Чем больше разрешение, тем больше мелких деталей изображения видеоадаптер способен отобразить
Глубина цвета • Максимальное количество цветов, отображаемых в текущем графическом режиме – От глубины цвета зависит количество бит, требуемых для хранение информации о цвете пикселя • Большинство современных видеокарты обеспечивают глубину цвета в 24 или 32 бита – Это позволяет передать более 16 миллионов (224) различных цветовых оттенков
Отображение буфера кадра на системную память • Центральный процессор должен иметь возможность модификации буфера кадра чтобы нарисовать что-либо – Часть адресного пространства отводилась для хранения данных видеопамяти – Это вызывало определенный проблемы при работе с видеопамятью из реального режима процессора • С появлением 32 -битных процессоров и ОС ситуация изменилась в лучшую сторону
Немного математики… • Современные видеокарты могут поддерживать разрешение 2560*1600 пикселей при глубине цвета 32 бит • Размер буфера кадра при этом равен 16 Mb • Вопрос: Какая пропускная способность шины потребуется, чтобы вывести такой буфер кадра на монитор с частотой 75 Hz? – Вот почему современные видеокарты имеют ширину шины 128 или 256 бит.
Формат хранения пикселей в буфере кадра
Вычисление адреса пикселя в буфере кадра char *Get. Pixel. Address( char * buffer, int pitch, int byteperpixel, int x, int y ) { return buffer + (y * pitch) + (x * byteperpixel); }
Формат хранения пикселей
• Компьютерные дисплеи работают с цветом, являющимся аддитивной комбинацией трех основных цветовых компонент красного, зеленого и синего цветов – Смешивая эти цвета в различных пропорциях можно получить различные оттенки остальных цветов
Смешивание цветов 148 190, 148, 217
Дискретизация цветовых составляющих • Спектр частот электромагнитных волн имеет непрерывную структуру – Это значит, что в идеале интенсивность каждой цветовой составляющей должна быть выражена действительными числами в диапазоне от 0 до 1 – Однако в цифровом мире видеоадаптеров этот непрерывный диапазон обычно выражается целыми числами от 0 до 255 – по 1 байту на каждую цветовую компоненту
Различные цветовые режимы • • • Монохромный (1 бит на пиксель) 16 цветов (4 бита на пиксель) 256 цветов (8 бит на пиксель) 32’ 658 цветов (15 бит на пиксель) 65’ 536 цветов (16 бит на пиксель) 16’ 777’ 216 цветов (24/32 бита на пиксель)
Монохромный режим • Цвет каждого пикселя определяется всего лишь одним битом информации – 1 байт несет информацию о 8 соседних пикселях – Это позволяет отображать изображения, состоящие всего из двух цветов – черного и белого – Данный цветовой режим используется при выводе информации на матричный принтер, образы шрифтов также могут храниться в этом режиме
256 -цветный режим • На хранение состояния одного пикселя отводится один байт • Цвет каждого пикселя определяется индексом цвета в специальной таблице, называемой палитрой – Данная таблица содержит информацию о цвете каждого из 256 цветов
Изображение с палитрой 256 цветов
15 -ти и 16 -битные форматы пикселей (High-Color) • Информация о цвете одного пикселя хранится в двух байтах • В 15 -битном режиме на хранение информации о цветовых компонентах отводится по 5 бит (32 градации) • В 16 битном режиме на зеленый цвет отводится 6 бит, на синий и красный - по 5
15 -ти и 16 -битные форматы пикселей
Форматы файлов изображений
• Обеспечивают стандартизованный метод хранения цифровых изображений – Это дает возможность просмотра и обработки изображений в заданном формате, полученных из различных источников (фотокамера, сканер, графический редактор и т. п. )
Форматы файлов растровых изображений • Файлы растровых изображений хранят информацию о пикселях изображения – цветах, прозрачности и т. п. • С целью уменьшения размеров файла во многих форматах применяются различные алгоритмы компрессии графических данных
BMP (Bit-Map) • Один из наиболее простых графических форматов – Поддерживает 1, 4, 8, 16, 24 и 32 -битные изображения • Поддерживается большинством графических приложений • Поддерживает компрессию без потерь качества RLE (Run-Length Encoding), однако в большинстве случаев изображения в формате BMP компрессию не используют • В силу больших размеров BMP-файлы плохо подходят для распространения по сети
JPEG (Joint Photographic Experts Group ) • Хорошо подходит для хранения полноцветных и grayscale-изображений (фотографий) • Использует сжатие с потерями качества (величину потерь и степень сжатия можно контролировать) – Благодаря высокой степени сжатия файлы формата JPEG широко распространены в сети Интернет
GIF (Graphic Interchange format) • Достоинства – Поддерживает хранение нескольких кадров, позволяя воспроизводить анимации – Позволяет хранить изображения, содержащие «прозрачные» пиксели – Использует сжатие без потерь качества • Недостатки – позволяет хранить лишь 8 -битные изображения, что делает его пригодным лишь для хранения простых диаграмм, фигур и «мультяшных» изображений
PNG (Portable Network Graphics) • Достоинства – Открытый формат со свободно распространяемыми исходными кодами – Поддержка различных форматов изображений – индексный (палитровом) режим, – True-color изображения (8 или 16 бит на каждую цветовую составляющую) – Поддержка полупрозрачности – Поддерживает компрессию без потерь качества • Недостатки – Некоторые старые браузеры не поддерживают этот формат – Фотореалистичные изображения сжимаются плохо
TIFF (Tagged Image File Format) • Гибкий формат, позволяющий хранить многослойные изображения с глубиной цвета до 48 бит (64 с прозрачностью) в различных цветовых пространствах • Поддерживает как компрессию без потерь качества, так и с потерями • Плохо поддерживается браузерами, поэтому не широко распространен в Сети
Форматы векторных изображений • В отличие от растровых форматов векторные форматы файлов описывают характеристики не отдельных пикселей, а геометрических примитивов, из которых состоит изображение • Векторные изображения могут быть качественно изображены в любом разрешении
SVG (Scalable Vector Graphics) • Является открытым стандартом, разработанным WWW-консорциумом для хранения векторных изображений • Представляет собой текстовый XML-файл определенной структуры – SVGZ – файл SVG упакованный GZip • Может содержать сценарии, позволяющие создавать динамичную и интерактивную графику
SWF (Shock. Wave Flash) • Широко распространенный формат, разработанный фирмой Macromedia (в настоящее время - Adobe) • Может содержать статические изображения, анимацию, звуки, видео, а также апплеты на языке Action. Script, позволяя создавать сложные интерактивные Web-приложения • SWF-формат не предоставляет специальных возможностей для своего редактирования
Вопросы и упражнения • Назовите четыре основные области применения компьютерной графики. • Каковы основные направления развития компьютерной графики? Какие задачи они решают? • Где и когда впервые был использован дисплей в качестве устройства вывода ЭВМ? • Кем и когда была разработана первая интерактивная программа для рисования? • Назовите основных разработчиков методов закрашивания гладких поверхностей. • Кто является автором ряда алгоритмов построения растровых образов различных геометрических объектов? • Назовите авторов алгоритмов удаления невидимых линий. В чем состоит основное различие между дисплеями с произвольным сканированием и растровым
Скачать презентацию Общее введение в компьютерную графику Лекция 1
Общее введение в компьютерную графику.ppt