История компьютерной графики

Е.Ф.Попова

КОМПЬЮТЕРНАЯ ГРАФИКА

Федеральное агентство по образованию

Российской Федерации

Благовещенский государственный педагогический

университет

Е.Ф.Попова

КОМПЬЮТЕРНАЯ ГРАФИКА

Курс лекций

Благовещенск 2007

ББК 32.973.26-018.2Я73 П58

Печатается по решению редакционно-издательского совета Благовещенского государственного педагогического университета

Попова Е.Ф. Компьютерная графика: Курс лекций. – Благовещенск: Изд-во БГПУ, 2007. – 151 с., илл.

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности «Математическое обеспечение и администрирование информационных систем».

Рецензенты:

Алутин П.П., канд. физ-мат. наук, доцент, зав кафедрой алгебры, геометрии и МПМ БГПУ

Медведев А.М., канд. техн. наук, декан факультета прикладных искусств АмГУ

Ó Изд-во БГПУ, 2007

ОГЛАВЛЕНИЕ

предисловие.. 5

Лекция 1. Введение.. 6

1.1. История компьютерной графики.. 6

1.2.Области применения компьютерной графики.. 8

1.3. Классификация графических изображений.. 10

1.4. Виды компьютерной графики.. 15

1.4.1. Растровая графика. 16

1.4.2. Векторная графика. 18

1.4.3. Фрактальная графика. 21

Лекция 2. Аппаратная база машинной графики.. 24

2.1. Видеосистема персонального компьютера. 24

2.2. Цвет. 26

2.3. Форматы графических файлов. 30

Лекция 3. Отображение геометрических объектов.. 38

Лекция 4. Аппарат проецирования.. 51

4.1. Аксонометрические проекции.. 55

4.2. Способы преобразования комплексного чертежа. 61

Лекция 5. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ОБЪЕКТОВ И ИХ МАШИННАЯ ГЕНЕРАЦИЯ 70

5.1. Аффинные преобразования на плоскости.. 70

5.2. Растровая развертка отрезка. 79

5.3. Алгоритм вывода окружности.. 82

5.4. Кривая Безье. 83

5.5. Отсечение отрезка. 86

5.6. Закраска области, заданной цветом границы.. 88

5.7. Удаление невидимых линий и поверхностей.. 91

Лекция 6. Фрактальная графика.. 98

6.1. Алгоритм построения фрактала. 99

6.2. Природные фракталы.. 100

6.3. Геометрические фракталы.. 103

6.4. Алгебраические фракталы.. 109

6.5. Стохастические фракталы.. 113

Лекция 7. ГРАФИЧЕСКИЕ РЕДАКТОРЫ... 119

7.1. Adobe PhotoShop. 119

7.2. GIMP.. 124

7.3. Adobe Illustrator. 126

7.4. Corel Draw.. 127

7.5. 3D Studio Max. 128

7.6. Blender. 130

Лекция 8. сЖАТИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ.. 135

8.1. Необратимое сжатие. 135

8.2. Обратимое сжатие. 136

8.3. Общие положения алгоритмов сжатия изображений.. 137

8.4. Алгоритмы архивации без потерь. 142

8.5. Алгоритмы архивации с потерями.. 148

Литература.. 150

предисловие

Современное общество чаще всего называется обществом информационным, т.е. обществом, которое характеризуется всесторонней информатизацией всех сфер деятельности человека. Информационные и коммуникационные технологии решительно вторгаются в научно-практическую и образовательную деятельность. Стремительно повышаются требования к уровню подготовки в этой сфере специалистов различных областей.

В настоящее время машинная графика находит самое широкое применение в различных областях науки и техники, промышленности, в экономике, управлении, обучении.

Важнейшие области применения машинной графики: автоматизация проектно-конструкторских работ (САПР); автоматизация научных исследований (АСНИ); геоинформационные технологии; автоматизация процессов обучения; издательская деятельность, реклама, компьютерные игры, мультипликация.

На смену бесконечным таблицам с числовыми результатами моделирования, оценки, анализа и т. д. пришли простые для понимания графики и диаграммы; на смену двумерным чертежам и схемам - понятные и реалистичные трехмерные модели. Очевидно, что практически любое приложение, будь то программа финансового анализа или компьютерная игра, в той или иной мере нуждается в указанных средствах. Компьютерная графика как неотъемлемая часть науки программирования в целом дает в руки будущего специалиста по информационным технологиям необходимые средства для облегчения работы пользователя, то есть для реализации удобных и наглядных программ.

В данном курсе изучаются базовые понятия, математические методы и часто применяемые алгоритмы, а не языковые средства или методы различных графических библиотек. Программы по данной дисциплине могут создаваться на любом языке программирования, будь то C++, Pascal или Basic и для любой операционной системы, будь то DOS, Windows или Linux. Дисциплина включает также ряд обзорных тем. Кроме того, уделяется внимание работе в графических редакторах.

Лекция 1. Введение

История компьютерной графики

«Компьютерная графика (Машинная графика, Computer graphics) - технология создания и обработки графических изображений средствами вычислительной техники.

Компьютерная графика изучает методы получения изображений полученных на основании невизуальных данных или данных, созданных непосредственно пользователем».

Словарь по естественным наукам.

Глоссарий.ru

Большую часть информации об окружающем мире человек получает при помощи органов зрения. Поэтому проблема визуализации расчетных данных, показаний приборов всегда была и будет актуальной. Развитие компьютерной техники привело к тому, что данная задача стала вполне разрешимой. В настоящее время машинная графика обеспечивает тесную взаимосвязь между человеком и компьютером, заставляя компьютер «говорить» с человеком на языке изображений. Она стала основным средством общения человека с компьютером. Интерфейс любой прикладной программы понятен и удобен пользователю именно за счет применения графических элементов.

А началось все в пятидесятых годах 20 века. Первые системы машинной графики появились вместе с цифровыми компьютерами. Первым шагом к развитию компьютерной графики можно считать проект WHIRLWIND Массачусетского технологического института.

Как отметил один из разработчиков WHIRLWIND Норман Тейлор, компьютер "содержал около четверти акра электроники (1000 кв.м) и имел дисплей".

WHIRLWIND стал основой создания командно-управляемой системы военно-воздушной обороны США, разработанной как средство визуализации данных, полученных с радара.

Кроме того, Тейлор заметил: "Было ясно, что дисплеи привлекают внимание потенциальных пользователей, а машинное кодирование - нет".

К середине 1960-х годов наступил период плодотворной работы в промышленных приложениях машинной графики. Под руководством Тирбера Мофетта и Нормана Тейлора фирма Itek разработала цифровую электронную чертежную машину. В 1964 году General Motors представила свою DAC-1 - систему автоматизированного проектирования, разработанную совместно с IBM.

В конце семидесятых появилась возможность создания растровых дисплеев, впервые стало возможным получение цветовой гаммы. Растровая технология в конце семидесятых стала доминирующей.

В 1977 году Commodore выпустила свой РЕТ (персональный электронный делопроизводитель), а компания Apple создала Apple-II.

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 изображений.

В 90-х машинная графика уже часто имеет дело с векторными данными, а основой для обработки изображений является пиксельная информация. Процессоры рабочих станций имеют быстродействие, достаточное для того, чтобы управлять как векторной, так и растровой информацией.

В настоящее время невозможно представить себе компьютер, не имеющий графических возможностей. Это, в первую очередь, - графический интерфейс пользователя, завоевавший практически весь сектор персональных компьютеров. Основными достоинствами графического интерфейса являются наглядность и простота использования. Но графические же возможности не ограничиваются интерфейсом, их применение обширно - от простейших иллюстраций и анимированных изображений до красочных презентаций и сложнейших спецэффектов.