История компьютерной графики

История компьютерной графики 
 

История развития компьютерной графики началось уже в 20 веке и  продолжается сегодня. Не секрет то, что  именно графика способствовала быстрому росту быстродействию компьютеров. 

1940-1970гг. – время  больших компьютеров (эра до  персональных компьютеров). Графикой  занимались только при выводе  на принтер. В этот период  заложены математические основы. 

 Особенности:  пользователь не имел доступа  к монитору, графика развивалась  на математическом уровне и  выводилась в виде текста, напоминающего  на большом расстоянии изображение.  Графопостроители появились в  конце 60-х годов и практически  были не известны. 

  

1971-1985гг. – появились  персональные компьютеры, т.е. появился  доступ пользователя к дисплеям. Роль графики резко возросла, но наблюдалось очень низкое  быстродействие компьютера. Программы  писались на ассемблере. Появилось  цветное изображение (256). 

 Особенности:  этот период характеризовался  зарождением реальной графики. 

  

1986-1990гг. – появление  технологии Multimedia (Мультимедиа). К графике добавились обработка звука и видеоизображения, общение пользователя с компьютером расширилось. 

 Особенности:  появление диалога пользователя  с персональным компьютером; появление  анимации и возможности выводить  цветное изображение. 

  

1991-2008гг. – появление  графики нашего дня Virtual Reality. Появились датчики перемещения, благодаря которым компьютер меняет изображения при помощи сигналов посылаемых на него. Появление стереоочков (монитор на каждый глаз), благодаря высокому быстродействию которых, производится имитация реального мира. Замедление развития этой технологии из-за опасения медиков, т.к. благодаря Virtual Reality можно очень сильно нарушить психику человека, благодаря мощному воздействию цвета на неё. 

 

Следствие использования  графики 

 Совершенно изменилась  архитектура программ. Если раньше  отец программирования Вирт говорил,  что любая программа это алгоритм + структура данных, то с появлением  компьютерной графики на персональном  компьютере программа – это  алгоритм + структура данных + интерфейс  пользователя (графический). 

 Программирование  называют теперь визуальным программированием,  т.е. компилятор дает большое  количество диалоговых окон, где  вводятся координаты и виден  прообраз результата, и можно  менять прообраз программы. 

 В 90-х годах  появился стандарт изображения  схем алгоритмов UML, его используют  все учебники. Он учитывает объектно-ориентированные  программы и способен изображать  многозадачность. Имеется возможность  схемы алгоритма рисовать самому  из готовых стандартных форм. Т.к. все  программы используют  графику (меню, товарные знаки,  всякие вспомогательные изображения)  их можно делать в современных  компиляторах, не выходя из компилятора. UML рассматривается как международный  стандарт. В нем 12 групп символов (каждая из групп с определением  определенной специфики) и способов  взаимосвязи между ними. 

 Переход к графическому  интерфейсу был вынужден тем  фактом, что человек воспринимает 80% данных через картинку, и лишь 20% - через ум, чувства и т.д. 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Представление данных на мониторе компьютера в  графическом  виде впервые было реализовано в  середине 50-х годов для больших  ЭВМ, применявшихся в научных  и военных исследованиях. С тех  пор графический способ отображения  данных стал неотъемлемой принадлежностью  подавляющего числа компьютерных систем, в особенности персональных. Графический  интерфейс пользователя сегодня  является стандартом “де-факто” для  программного обеспечения разных классов, начиная с операционных систем. 

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 (бумага, кинопленка, ткань и прочее). Без  компьютерной графики невозможно представить  себе не только компьютерный, но и обычный, вполне материальный мир. Визуализация данных находит применение в самых  разных сферах человеческой деятельности. Для примера назовем медицину (компьютерная томография), научные  исследования (визуализация строения вещества, векторных полей и других данных), моделирование тканей и  одежды, опытно-конструкторские разработки. 

В зависимости от способа формирования изображений  компьютерную графику принято подразделять на растровую, векторную и фрактальную. 

Отдельным предметом  считается трехмерная (3D) графика, изучающая  приемы и методы построения объемных моделей 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 прочие. 

На стыке компьютерных, телевизионных и кинотехнологий зародилась и стремительно развивается сравнительно новая область компьютерной графики и анимации. 

Заметное место  в компьютерной графике отведено развлечениям. Появилось даже такое  понятие, как механизм графического представления данных (Graphics Engine). Рынок игровых программ имеет оборот в десятки миллиардов долларов и часто инициализирует очередной этап совершенствования графики и анимации. 

Хотя компьютерная графика служит всего лишь инструментом, ее структура и методы основаны на передовых достижениях фундаментальных  и прикладных наук: математики, физики, химии, биологии, статистики, программирования и множества других. Это замечание  справедливо как для программных, так и для аппаратных средств  создания и обработки изображений  на компьютере. Поэтому компьютерная графика является одной из наиболее бурно развивающихся отраслей информатики  и во многих случаях выступает  “локомотивом”, тянущим за собой  всю компьютерную индустрию. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВИДЫ ГРАФИКИ 

Фрактальная графика 

Фрактальная графика  основана на математических вычислениях. 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. 

Трехмерная графика 

Трехмерная графика  нашла широкое применение в таких  областях, как научные расчеты, инженерное проектирование, компьютерное моделирование  физических объектов (рис. 3). В качестве примера рассмотрим наиболее сложный  вариант трехмерного моделирования  – создание подвижного изображения  реального физического тела. 

В упрощенном виде для  пространственного моделирования  объекта требуется: 

- спроектировать  и создать виртуальный каркас (“скелет”) 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 (на профессиональном  жаргоне – “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 реалистичной модели объекта используют геометрические примитивы (прямоугольник, куб, шар, конус  и прочие) и гладкие, так называемые сплайновые поверхности. В последнем  случае применяют чаще всего метод  бикубических рациональных В-сплайнов на неравномерной сетке (NURBS). Вид  поверхности при этом определяется расположенной в пространстве сеткой опорных точек. Каждой точке присваивается  коэффициент, величина которого определяет степень ее влияния на часть поверхности, проходящей вблизи точки. От взаимного  расположения точек и величины коэффициентов  зависит форма и “гладкость”  поверхности в целом.  

Растровая графика 

Для растровых изображений, состоящих из точек, особую важность имеет понятие разрешения, выражающее количество точек, приходящихся на единицу  длины. При этом следует различать: 

- разрешение оригинала; 

- разрешение экранного  изображения; 

- разрешение печатного  изображения.  

Разрешение оригинала. Разрешение оригинала измеряется в  точках на дюйм (dots per inch – dpi) и зависит от требований к качеству изображения и размеру файла, способу оцифровки и создания исходной иллюстрации, избранному формату файла и другим параметрам. В общем случае действует правило: чем выше требование к качеству, тем выше должно быть разрешение оригинала. 

Разрешение экранного  изображения.  Для экранных копий  изображения элементарную точку  растра принято называть пикселом. Размер пиксела варьируется в зависимости от выбранного экранного разрешения (из диапазона стандартных значений), разрешение оригинала и масштаб отображения. 

Мониторы для обработки  изображений с диагональю 20–21 дюйм (профессионального класса), как  правило, обеспечивают стандартные  экранные разрешения 640х480, 800х600, 1024х768,  1280х1024, 1600х1200, 1600х1280,  1920х1200, 1920х1600 точек. Расстояние между соседними точками  люминофора у качественного монитора составляет 0,22–0,25 мм. 

Для экранной копии  достаточно разрешения 72 dpi, для распечатки на цветном или лазерном принтере 150–200 dpi, для вывода на фотоэкспонирующем устройстве 200–300 dpi. Установлено эмпирическое правило, что при распечатке величина разрешения оригинала должна быть в 1,5 раза больше, чем линиатура растра устройства вывода. В случае, если твердая копия будет увеличена по сравнению с оригиналом, эти величины следует умножить на коэффициент масштабирования. Размер точки растрового изображения как на твердой копии (бумага, пленка и т. д.), так и на экране зависит от примененного метода и параметров растрирования оригинала. При растрировании на оригинал как бы накладывается сетка линий, ячейки которой образуют элемент растра. Частота сетки растра измеряется числом линий на дюйм (lines per inch – Ipi) и называется линиатурой.

Векторная графика 

Если в растровой  графике базовым элементом изображения  является точка, то в векторной графике  – линия. Линия описывается математически  как единый объект, и потому объем  данных для отображения объекта  средствами векторной графики существенно  меньше, чем в растровой графике. 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, карты) или выбранным цветом. Простейшая незамкнутая линия ограничена двумя точками, именуемыми узлами. Узлы также имеют свойства, параметры которых влияют на форму конца линии и характер сопряжения с другими объектами. Все прочие объекты векторной графики составляются из линий. Например, куб можно составить из шести связанных прямоугольников, каждый из которых, в свою очередь, образован четырьмя связанными линиями. Возможно, представить куб и как двенадцать связанных линий, образующих ребра.

Представление данных графики

Форматы графических  данных 

В компьютерной графике  применяют по меньшей мере три десятка форматов файлов для хранения изображений. Но лишь часть из них стала стандартом “де-факто” и применяется в подавляющем большинстве программ. Как правило, несовместимые форматы имеют файлы растровых, векторных, трехмерных изображений, хотя существуют форматы, позволяющие хранить данные разных классов. Многие приложения ориентированы на собственные “специфические” форматы, перенос их файлов в другие программы вынуждает использовать специальные фильтры или экспортировать изображения в “стандартный” формат.