Системы компьютерной графики

Представление данных на мониторе компьютера в графическом виде впервые было реализовано в середине 50-х годов для большинства ЭВМ, применявшихся в научных и военных исследованиях. С тех пор графический способ отображения данных стал неотъемлемой принадлежностью подавляющего числа компьютерных систем, в особенности персональных.

Существует специальная область информатики, изучающая методы и средства создания и обработки изображений с помощью программно-аппаратных вычислительных комплексов – компьютерная графика. Она охватывает все виды и формы представления изображений, доступных для восприятия человеком либо на экране монитора, либо в виде копии на внешнем носителе. Визуализация данных находит применение в самых разнообразных сферах деятельности человека. Например в медицине это компьютерная томография; в научных исследованиях – визуализация строения вещества, векторных полей и других данных; моделирование тканей и одежды, опытно-конструкторские разработки.

В зависимости от способа формирования изображения компьютерную графику принято разделять на растровую, векторную и фрактальную.

Отдельным предметом считается трехмерная графика, изучающая приемы и методы построения объемных объектов в виртуальном пространстве. Как правило, в ней сочетаются векторный и растровый способы формирования изображений.

Особенности цветового охвата характеризуют такие понятия как черно-белая и цветная графика. На специализацию в отдельных областях указывают названия некоторых разделов: инженерная графика, научная графика, Web-графика, компьютерная полиграфия и т.д.

1. Растровые редакторы. Большинство программ для редактирования изображений относятся к растровым. Изображение в них формируется пикселов. Поскольку каждый пиксел на экране компьютера отображен в специальном месте экрана, то программы, которые создают изображение таким образом, называются побитовыми. Решетку или матрицу, образуемую пикселами называют растром. Поэтому программы с побитовым изображением также называют растровыми программами. Такой подход эффективен в тех случаях, когда графическое изображение имеет много полутонов и информация о цвете элементов, составляющих объект, важнее, чем информация об их форме. Это характерно для фотографических и полиграфических изображений. Растровые редакторы широко применяются для обработки изображений, их ретуши, создания фотоэффектов и художественных композиций (коллажей). Возможности создания новых изображений средствами растровых редакторов ограничены и не всегда удобны. В большинстве случаев художники предпочитают пользоваться традиционными инструментами, после чего вводить рисунок в компьютер с помощью специальных аппаратных средств (сканеров) и завершать работу с помощью растрового редактора путем применения спецэффектов. Один из наиболее популярных растровых редакторов Adobe Photoshop.

Растровый редактор Adobe Photoshop

Предназначен для редактирования и создания растровой графики. Программа используется для работы с фотографиями и коллажами из них, рисованными иллюстрациями, слайдами и мультипликацией, изображениями для Web–страниц, кинокадрами.

Photoshop используется для ретуши, цветовой и тоновой коррекции, повышения резкости и создания художественных эффектов. Хорошо продуманный набор инструментов для работы с частями изображения эффективно используется для оформления монтажей.

Обширный набор специальных фильтров (искажения, цветовые сдвиги и другие специальные эффекты) применяется при создании как коммерческого дизайна, так и художественных произведений.

Программа представляет весь спектр обслуживания допечатного процесса – от сканирования до установки параметров цветоделения и растрирования. Photoshop является стандартом в этой области и гарантирует получение наилучшего результата и максимальную совместимость со всеми другими программами издательского цикла.

Множество разработчиков и сторонних фирм расширяют инструментарий программы за счет подключаемых программных модулей. Они адаптируют программу для решения специфических задач от дизайна текстиля до обработки результатов научных наблюдений.

2. Векторные редакторы. Отличаются от растровых способом представления данных об изображении. Элементарным объектом векторного изображения является не точка, а линия. Такой подход характерен для чертежно-графических работ, в которых форма линий имеет большее значение о, чем информация о цвете отдельных точек, составляющих ее. В векторных редакторах каждая линия рассматривается как математическая кривая и, соответственно представляется не комбинацией точек, а математической формулой (в компьютере хранятся числовые коэффициенты этой формулы). Такое представление намного компактнее, чем растровое, и соответственно, данные занимают намного меньше места, однако, построение любого объекта выполняется не простым отображением точек на экране, а сопровождается непрерывным пересчетом параметров кривой в координаты экранного или печатного изображения. Соответственно, работа с векторной графикой требует более производительных вычислительных систем.

Линия – элементарный объект векторной графики. Как и любой объект/ линия обладает свойствами: формой (прямая, кривая), толщиной, цветом, начертанием (сплошная, пунктирная). Замкнутые линии приобретают свойство заполнения. Охватываемое ими пространство может быть заполнено другими объектами (текстуры) или выбранным цветом.

Простейшая незамкнутая линия ограничена двумя точками, именуемыми узлами. Узлы также имеют свойства и параметры, которых влияют на форму конца линии и характер сопряжения с другими объектами.

Все прочие объекты векторной графики составляются из линий. Из элементарных объектов (линий) создаются простейшие геометрические объекты (примитивы) из которых, в свою очередь составляются законченные композиции. Художественная иллюстрация, выполненная средствами векторной графики, может содержать десятки тысяч простейших объектов, взаимодействующих друг с другом. Векторные редакторы удобны для создания изображений, но практически не используются для обработки готовых рисунков. Они нашли широкое применение в рекламном бизнесе, их применяют для оформления обложек полиграфических изданий и всюду, где стиль художественной работы близок к чертежному. Один из наиболее популярных векторных редакторов Corel Draw.

Векторный редактор Corel Draw.

Редактор Corel Draw обладает интуитивно понятным интерфейсом, универсальностью, делающим его доступным и востребованным для пользователей-непрофессионалов. С другой стороны этот редактор очень мощный, в него включен весь набор профессиональных функций, реализованных на высоком программном уровне, что делает его основной программой использующейся профессионалами в большинстве издательств, типографий и фирм, занимающихся допечатной подготовкой.

3. Фрактальная графика, как и векторная основана на математических вычислениях. Однако базовым элементом фрактальной графики является сама математическая формула, то есть никаких объектов в памяти компьютера не хранится и изображение строится исключительно по уравнениям. Таким способом строят как простейшие регулярные структуры, так и сложные иллюстрации, имитирующие природные ландшафты и трехмерные объекты.

4. Трехмерная графика нашла широкое применение в таких областях как научные расчеты, инженерное проектирование, компьютерное моделирование физических объектов.

В упрощенном виде для пространственного моделирования объекта требуется:

· Спроектировать и создать виртуальный каркас объекта, наиболее полно соответствующий его реальной форме;

· Спроектировать и создать виртуальные материалы, по физическим свойствам визуализации похожие на реальные;

· Присвоить материалы различным частям поверхности объекта (спроектировать текстуры на объект);

· Настроить физические параметры пространства, в котором будет действовать объект, - задать освещение, гравитацию, свойства атмосферы, свойства взаимодействующих объектов и поверхностей;

· Задать траектории движения объектов;

· Рассчитать результирующую последовательность кадров;

· Наложить поверхностные эффекты на итоговый анимационный ролик.

Для создания реалистической модели объекта используются геометрические примитивы (прямоугольник, куб, шар, конус и т.д.) и гладкие (сплайновые) поверхности. Специальный инструментарий позволяет обрабатывать примитивы как единое целое, с учетом их взаимодействия на основе заданной физической модели. Деформация объекта перемещением контрольных точек, расположенных в близи. Каждая контрольная точка связана с близлежащими опорными точками, степень ее влияния определяется удаленностью. Другой метод называется сеткой деформации. Вокруг объекта или его части размещается трехмерная сетка, перемещение любой точки которой вызывает упругую деформацию как само сетки, так и окруженного объекта.

Еще одним способом построения объектов из примитивов служит твердотельное моделирование. Объекты представлены твердыми телами, которые при взаимодействии с другими телами различными способами (объединение, вычитание, слияние и другие) претерпевают необходимую трансформацию. Например, вычитание из прямоугольного параллелепипеда шара приведет к образованию в параллелепипеде полукруглой лунки. После формирования скелета объекта необходимо покрыть его поверхность материалами. Все многообразие свойств материалов в компьютерном моделировании сводится к визуализации поверхности, то есть к расчету коэффициента прозрачности поверхности и угла преломления лучей света на границе материала и окружающего пространства. Для построения поверхностей материалов используют пять основных физических моделей:

· Поверхности с диффузным отражением без бликов (например, матовый пластик);

· Поверхности со структурированными микронеровностями (например, металлические);

· Поверхности со специальным распределением микронеровностей с учетом взаимных перекрытий (например, глянец);

· Модель, позволяющая дополнительно учитывать поляризацию света;

· Модель. Позволяющая корректировать направления отражения и параметры преломления света

Закраска поверхностей осуществляется методами Гуро или Фонга. В первом случае цвет примитива рассчитывается лишь в его вершинах, а затем линейно интерполируется по поверхности. Во втором случае строиться нормаль к объекту в целом, ее вектор интерполируется по поверхности составляющих примитивов и освещение рассчитывается для каждой точки.

Свет, уходящий с поверхности в конкретной точке в сторону наблюдателя представляет собой сумму компонентов, умноженных на коэффициент, связанный с материалом и цветом поверхности в данной точке.

Наиболее популярные редакторы трехмерной графики: 3D Studio Max, Maya.

Табличные процессоры (электронные таблицы).

Табличные процессоры (электронные таблицы) – это программы, позволяющие организовать различные вычислительные операции.

Основная область применения электронных таблиц – это те сферы человеческой деятельности, где де информация представляется в виде прямоугольных таблиц (планово-финансовых и бухгалтерских документов, учета материальных ценностей и др.), требующих при обработке проведения математических расчетов.

ЭТ представляют собой поле, разбитое на ячейки, каждая из которых пронумерована. В каждую ячейку можно записать либо формулу, либо текст. Если в ячейку ЭТ записана формула, то в исходном состоянии на экране отображается значение этой формулы, а не она сама. Операндами формулы могут быть математические функции, константы, номера ячеек (содержимое ячейки с указанным номером). Ячейка ЭТ имеет сложную «многослойную» структуру, в ней может стоять ссылка на другую ячейку, значение которой является результатом вычислений по другой формуле.

Пользователь работает в диалоге со специальной программой, которая позволяет заполнять ячейки нужным ему содержимым (текстами, числами или формулами для расчетов); очищать их, копировать и удалять, сортировать (т.е располагать клетки, а также строки и столбцы из них, в определенном порядке); производить вычисления над всей таблицей или ее частью, сохранять таблицу на диске и распечатывать ее частично или полностью на бумагу и т.д.

Особенности электронных таблиц заключается в возможности применения формул для описания связи между значениями различных ячеек. Расчет по заданным формулам выполняется автоматически. Изменение содержимого какой-либо ячейки приводит к пересчету значений всех ячеек, которые с ней связаны формульными отношениями и тем самым к обновлению всей таблицы в соответствии с изменившимися данными.

Применение электронных таблиц упрощает работу с данными и позволяет получать результаты без проведения расчетов вручную или специального программирования. Наиболее широкое применение электронные таблицы нашли в экономических и бухгалтерских расчетах, но и в научно-технических задачах их можно использовать эффективно. Электронные таблицы можно применять для

· Проведения однотипных расчетов над большими объемами данных;

· Автоматизации итоговых вычислений;

· Решения задач путем подбора значений параметров, табулирования формул;

· Обработки результатов экспериментов

· Проведение поиска оптимальных значений параметров

· Подготовка табличных документов

· Построения диаграмм и графиков по имеющимся данным.

Известно много электронных таблиц: QuatroPro, Excel, Lotus 1-2-3 и т.д.

Электронные таблицы MS Excel

MS Excel – ведущая программа в области электронных таблиц. Программа MS Excel предназначена для работы с таблицами данных, преимущественно числовых. При форматировании таблицы выполняют ввод, редактирование и форматирование текстовых и числовых данных, а также формул. Наличие средств автоматизации облегчает эти операции. Созданная таблица может быть выведена на печать. Первая версия Excel появилась в 1985 году и обеспечивала только простые арифметические операции в строку или в столбец. В 1993 году вышла 5-я версия Excel, ставшая первым приложением, MS Office, которое включало язык Visual Basic for Application. В настоящее время MS Excel представляет собой достаточно мощное средство разработки информационных систем, которое включает

· электронные таблицы, со средствами финансового и статистического анализа, набором стандартных математических функций, доступных в компьютерных языках высокого уровня, встречающихся только в библиотеках инженерных программ

· средства визуального программирования (язык VBA)

Электронные таблицы позволяют производить обработку чисел и текста, задавать формулы и функции для автоматического выполнения, прогнозировать бюджет на основе сценария, представлять данные в виде диаграмм, публиковать рабочие листы и диаграммы в Интернете. С помощью VBA можно автоматизировать всю работу, начиная от сбора информации, ее обработки до создания итоговой документации как для офисного пользования, так и для размещения на Web-узле.

Документ Excel называется рабочей книгой. Рабочая книга представляет собой набор рабочих листов, каждый из которых имеет табличную структуру и может содержать одну или несколько таблиц. В окне документа в программе Excel отображается только текущий рабочий лист, с которым ведется работа. Каждый рабочий лист имеет название, которое отображается на ярлычке листа, отображаемом в его нижней части. С помощью ярлычков можно переключаться к другим рабочим листам, входящим в ту же самую рабочую книгу. Чтобы переименовать рабочий лист надо дважды щелкнуть на его ярлычке. По умолчанию в рабочей книге существует 3 листа. В Excel 2007 количество листов в рабочей книге ограничено объемом оперативной памяти.

Рабочий лист состоит из строк и столбцов. Столбцы озаглавлены прописными латинскими буквами, и далее, буквенными комбинациями. В Excel 2007 рабочий лист может содержать 16 384 столбца и 1 048 576 строк. На пересечении столбцов и строк образуются ячейки таблицы. Они являются минимальными элементами для хранения данных. Обозначение отдельной ячейки сочетает в себе номера столбца и строки, на пересечении которых она расположена. Обозначение ячейки (ее номер) выполняет функции ее адреса. Адреса ячеек используются при записи формул, определяющих взаимосвязь между значениями, расположенными в разных ячейках.

Дата добавления: 2014-01-06