Москва 2010 г

По дисциплине

Конспект лекций

«Компьютерная графика»

для студентов специальности 230102

«Автоматизированные системы обработки информации и управления»

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава 1. Основные понятия. 6

1.1 Разновидности компьютерной графики. 7

Полиграфия. 8

Мультимедиа. 8

World Wide Web (WWW) 9

3D-графика и компьютерная анимация. 9

САПР и деловая графика. 9

Геоинформационные системы (ГИС) 10

1.2. Принципы организации графических программ.. 11

Растровые программы.. 11

Векторные программы.. 12

Фрактальные программы.. 12

Глава 2. Координаты и преобразования. 13

2.1 Координатный метод. 13

2.1.1. Преобразование координат. 13

Простейшие двумерные преобразования. 14

Однородные координаты и матричное представление двумерных преобразований. 16

Композиция двумерных преобразований. 18

Матричное представление трехмерных преобразований. 20

Композиция трехмерных преобразований. 22

Преобразование объектов. 24

Преобразование как изменение систем координат. 24

2.1.2 Аффинные преобразования на плоскости. 26

2.2 Проекции. 29

2.2.1 Мировые и экранные координаты.. 29

2.2.2 Основные типы проекций. 29

Глава 3. Растровая графика. Базовые растровые алгоритмы.. 39

3.1 Растровые изображения и их основные характеристики. 39

3.2 Вывод изображений на растровые устройства. 41

3.3 Методы улучшения растровых изображений. 44

3.4. Базовые растровые алгоритмы.. 51

Алгоритмы вывода прямой линии. 51

Инкрементные алгоритмы.. 53

Кривая Безье. 53

Алгоритмы вывода фигур. 55

Алгоритмы закрашивания. 55

Стиль заполнения. 58

3.5 Инструменты растровых графических пакетов. 67

Инструменты выделения. Каналы и маски. 67

Выделение. 68

Инструменты выделения и маскирования. 69

Ретушь. 69

Гистограммы.. 70

Тоновая коррекция изображения. 72

Уровни (Levels) 72

Кривые. 73

Цветовая коррекция и цветовой баланс. 75

Фильтры (Plug-ins) и спецэффекты (Effects) 75

Слои. 78

3.6 Преимущества и недостатки растровой графики. 78

Глава 4. Векторная графика. 79

4.1 Средства создания векторных изображений. 80

4.2 Сравнение механизмов формирования изображений в растровой и векторной графике 81

4.3 Структура векторной иллюстрации. 82

4.4 Математические основы векторной графики. 83

4.5. Элементы (объекты) векторной графики. 85

4.6. Достоинства и недостатки векторной графики. 91

Глава 5. Фрактальная графика. 93

5.1 Математика фракталов. Алгоритмы фрактального сжатия изображений. 94

5.2 Обзор основных фрактальных программ.. 97

Глава 6. Цветовые модели компьютерной графики. 99

6.1 Элементы цвета. 99

6.1.1 Свет и цвет. 99

6.1.2 Физическая природа света и цвета. 100

6.1.3 Излученный и отраженный свет. 101

6.1.4 Яркостная и цветовая информация. 102

6.1.5 Цвет и окраска. 103

6.2 Характеристики источника света. 105

6.2.1 Стандартные источники. 105

6.2.2 Особенности восприятия цвета человеком.. 105

Колбочки и палочки. 106

Спектральная чувствительность глаза к яркости. 107

Спектральная чувствительность наблюдателя. 108

6.3 Цветовой и динамический диапазоны.. 109

6.4 Типы цветовых моделей. 111

6.4.1 Аддитивные цветовые модели. 111

RGB - модель. 113

Почему RGB-модель нравится компьютеру?. 116

Ограничения RGB-модели. 118

sRGB — стандартизированный вариант RGB-цветового пространства. 119

6.4.2 Субтрактивные цветовые модели. 119

Цветовая модель CMY.. 120

CMY и CMYK.. 121

Ограничения модели CMYK.. 122

Возможности расширения цветового охвата CMYK.. 123

6.4.3 Перцепционные цветовые модели. 124

Достоинства и ограничения HSB-модели. 127

6.4.4 Системы соответствия цветов и палитры.. 128

Системы соответствия цветов. 128

Назначение эталона. 128

Кодирование цвета. Палитра. 130

Глава 7. Методы и алгоритмы построения сложных трехмерных объектов. 131

7.1 Модели описания поверхностей. 131

7.1.1. Аналитическая модель. 131

7.1.2 Векторная полигональная модель. 133

7.1.3 Воксельная модель. 135

7.1.4 Равномерная сетка. 136

7.1.5 Неравномерная сетка. Изолинии. 138

7.2. Визуализация трехмерных объектов. 140

7.2.1 Каркасная визуализация. 141

7.2.2 Показ с удалением невидимых точек. 141

Глава 8. Реалистическое представление сцен. 148

8.1 Закрашивание поверхностей. 148

8.1.1 Модели отражения света. 148

8.1.2 Вычисление нормалей и углов отражения. 150

8.2 Метод Гуро. 154

8.3 Метод Фонга. 155

8.4. Имитация микрорельефа. 156

8.5 Трассировка лучей. 158

8.6 Анимация. 166

Глава 9. Архитектуры графических систем.. 175

9.1 Суперстанции. 175

9.2 Компоненты растровых дисплейных систем.. 175

9.3 Подходы к проектированию графических систем.. 175

9.4 Графические системы на базе сопроцессора i82786. 176

9.5 Графические системы из набора сверх больших интегральных схем (СБИС) 177

9.6 Растровый графический процессор DP-8500. 178

9.7 Графические системы на универсальном процессоре. 179

9.8 Высокоскоростные графические системы.. 180

9.9 Рабочие (супер)станции с использованием универсального вычислителя. 181

Глава 10. Стандартизация в компьютерной графике. 183

10.1 NGP (Network graphics рrotocol) 183

10.2 Международная деятельность по стандартизации в машинной графике. 184

10.3 Классификация стандартов. 187

Core-System.. 187

GKS (Graphical Kernel System) 188

GKS-3D (Graphical Kernel System for Three Dimensions) 190

PHIGS (Programmer's Hierarchical Interactive Graphics System) 190

PHIGS+. 191

CGI (Computer Graphics Interface) 192

10.4 Графические протоколы.. 192

10.4.1 Аппаратно-зависимые графические протоколы.. 192

Протокол TEKTRONIX.. 193

Протокол REGIS. 193

Протокол HP-GL.. 193

10.4.2 Языки описания страниц. 193

Язык PostScript 194

Язык PCL.. 195

10.4.3 Аппаратно-независимые графические протоколы.. 195

10.4.4 Проблемно-ориентированные протоколы.. 197

Глава 11. Форматы графических файлов. 199

11.1 Векторные форматы.. 200

11.2 Растровые форматы.. 202

11.3 Методы сжатия графических данных. 205

11.4 Преобразование файлов из одного формата в другой. 212

Глава 12. Технические средства КГ (оборудование КГ) 217

12.1 Видеоадаптеры.. 217

12.2 Манипуляторы.. 221

12.3 Оборудование мультимедиа. 224

12.4 Мониторы.. 226

Характеристики мониторов. 227

Аналоговые мониторы.. 228

Жидкокристаллические дисплеи. 228

Газоплазменные мониторы.. 229

Видеокарта. 229

Функции графического ускорителя. 231

Выбор видеокарты под монитор. 232

12.5 Видеобластеры.. 232

12.6 Периферия. 232

12.6.1 Принтеры.. 233

12.6.2 Имиджсеттеры.. 235

12.6.3 Плоттеры.. 235

12.7 Модемы.. 235

12.8 Звуковые карты.. 236

12.9 Сканеры.. 236

12.10 Секреты графических планшетов (дигитайзеров) 239

12.11 Цифровые фотоаппараты и фотокамеры.. 239

Литература. 241

Глава 1. Основные понятия

Важнейшая функция компьютера - обработка информации. Особо можно выделить обработку информации, связанную с изображениями. Она разделяется на три основные направления: компьютерная графика (КГ), обработка и распознавание изображений.

Задача компьютерной графики (Computer Graphics) - визуализация, то есть создание изображения. Визуализация выполняется, исходя из описания (модели) того, что нужно отображать. Существует много методов и алгоритмов визуализации, которые различаются между собою в зависимости от того что и как отображать. Например, отображение того, что может быть только в воображении человека — график функций, диаграмма, схема, карта. Или наоборот, имита­ция трехмерной реальности — изображение сцен в компьютерных играх, художественных фильмах, тренажерах, в системах архитектурного проектирования. Важными и связанными между собою факторами здесь являются: скорость изменения кадров, насыщенность сцены объектами, качество изображения, учет особенностей графического устройства.

Обработка изображений (Computer Vision) — это преобразования изображений. Входными данными явля­ется изображение, и результат обработки — тоже изображение. Примерами обработки изо­бражений могут служить: повышение контраста, чёткости, коррекция цветов, редукция цве­тов, сглаживание, уменьшение шумов и так далее. В качестве материала для обработки могут использоваться космические снимки, сканированные изображения, радиолокационные, ин­фракрасные изображения и т. п. Задачей обработки изображений может быть как улучшение в зависимости от определенного критерия (реставрация, восстановление), так и специальное преобразование, кардинально меняющее изображения. В последнем случае обработка изо­бражений может быть промежуточным этапом для дальнейшего распознавания изображения. Например, перед распознаванием часто необходимо выделять контуры, создавать бинарное изображение, разделять по цветам. Методы обработки изображений могут существенно отли­чаться в зависимости от того, каким путем получено изображение — синтезировано системой КГ либо это результат оцифровки черно-белой или цветной фотографии.

Рис. 1.1. Направления компьютерной графики

Для распознавания изображений (Image Processing) основная задача — получение описания объектов, представленных изображением. Методы и алгоритмы распознавания разрабатывались пре­жде всего для обеспечения зрения роботов и для систем специального назначения. Но в по­следнее время компьютерные системы распознавания изображений все чаще появляются в повседневной практике многих людей, например, офисные системы распознавания текстов, программы векторизации, создание трехмерных моделей человека.

Цель распознавания может формулироваться по-разному: выделение отдельных элемен­тов (например, букв текста на изображении документа или условных знаков на изображе­нии карты); классификация изображений в целом (например, проверка того, есть ли это изображение определенного летательного аппарата, или установление персоны по отпечат­кам пальцев).

Методы классификации и выделение отдельных элементов могут быть тесно связаны между собою. Так, классификация может быть сделана на основе структурного анализа от­дельных элементов объекта. Или для выделения отдельных элементов можно использовать методы классификации. Задача распознавания является обратной относительно визуализации.

Стоит отметить, что довольно популярным до недавнего времени было словосочетание интерактивная компьютерная графика. Им подчеркивалась способность компьютерной системы создавать графику и вести диалог с человеком. Прежде системы работали в пакетном режиме- способы диалога были не развиты. В настоящее время почти любую программу можно считать интерактивной системой КГ.

Дата добавления: 2014-01-05