Робота на тему"Розвиток комп’ютерної графіки",Шляховий Олександр Олександрович,ФМ,13

Розвиток комп’ютерної графіки[1]

План

1. Поняття про комп'ютерну графіку

2. Історія і перспективи розвитку комп'ютерної графіки

3. Основні галузі застосування комп'ютерної графіки та її компонентів

4. Класифікація систем комп’ютерної графіки

5. Загальна структура і функції комп’ютерної графіки

6. Растрова графіка. Класифікація, призначення і функції прикладних систем

растрової графіки1. Поняття про комп'ютерну графіку

Визначним досягненням людства в останні десятиріччя є швидкий розвиток електроніки, обчислювальної техніки та створення на їхній основі багатопланової автоматизованої системи комп'ютерної графіки. На початку свого розвитку комп'ютерну графіку розглядали як частину системного програмування для ЕОМ або один з розділів систем автоматизованого проектування (САПР). Сучасна комп'ютерна графіка становить ряд напрямів і різноманітних застосувань. Для одних із них основою є автоматизація креслення технічної документації, для інших – проблеми оперативної взаємодії людини й комп'ютера, а також задачі числової обробки, розшифрування та передачі зображень. Однією з основних підсистем САПР, що забезпечує комплексне виконання проектних робіт на основі ЕОМ, є комп'ютерна графіка (КГ). Комп'ютерною, або машинною, графікою називають наукову дисципліну, яка розробляє сукупність засобів та прийомів автоматизації кодування, обробки й декодування графічної інформації. Іншими словами, комп'ютерна графіка розробляє сукупність технічних, програмних, інформаційних засобів і методів зв'язку користувача з ЕОМ на рівні зорових образів для розв'язання різноманітних задач при виконанні конструкторської та технічної підготовки виробництва. Вивчення комп'ютерної графіки зумовлене: · широким впровадженням системи комп'ютерної графіки для забезпечення систем автоматизованого проектування, автоматизованих систем конструювання (АСК) та автоматизованих систем технологічної підготовки виробництва (АСТПВ) в усіх сферах інженерної діяльності; · значним обсягом перероблюваної геометричної інформації, що становить 60...80 % загального обсягу інформації, необхідної для проектування, конструювання та виробництва літаків, кораблів, автомобілів, складних архітектурних споруд тощо;· необхідністю автоматизації виконання численних креслярсько- графічних робіт; · необхідністю підвищення продуктивності та якості інженерної праці. Метою комп'ютерної графіки є підвищення продуктивності інженерної праці та якість проектів, зниження вартості проектних робіт, скорочення термінів виконання їх. Завданням комп'ютерної графіки є звільнення людини від виконання трудомістких графічних операцій, які можна формалізувати, вироблення оптимальних рішень, забезпечення природного зв'язку людини з ЕОМ на рівні графічних зображень. 2. Історія і перспективи розвитку комп'ютерної графіки Розвиток комп'ютерної графіки (КГ) почався з появою пристроїв графічного виведення. Становлення КГ та широке її використання пов'язано із створенням засобів графічного введення — виведення та дисплеїв — пристроїв побудови зображень на електронно-променевій трубці. При взаємодії користувача з комп'ютером розрізняють три режими роботи: пакетний; пасивно-інтерактивний; інтерактивний. У 60-роках виникає ряд дослідних проектів, з'являються розробки, придатні для комерційного розповсюдження. Найбільш значними серед них були проекти фірми GЕNЕRАL МОТОRS з використанням багатопультової графічної системи з розподілом часу для багатьох етапів проектування автомобілів, система була створена фірмою для проектування лінз і дисплейна система ІВМ 2250, заснована на прототипі фірми GЕNЕRАL МОТОRS. В Україні перша інтерактивна графічна система автоматизованого проектування електронних схем була розроблена Київським політехнічним інститутом і Науково-дослідним інститутом автоматизованих систем управління та планування в будівництві (НДІАСБ, Київ) і демонструвалася в 1969 р.В інтерактивному режимі роботи графічна інформація формується і виводиться в режимі оперативної графічної взаємодії користувача та комп'ютера. 3. Основні галузі застосування комп'ютерної графіки та її компонентів Застосування КГ для формування різноманітної графічної інформації в різних галузях людської діяльності свідчить про те, що комп'ютерна графіка та геометрія – явища різноманітні й багатопланові. У рамках КГ розв'язуються такі проблеми: розробка нових методів математичного забезпечення; розробка програмних систем графічних мов; створення нових ефективних технічних засобів для проектувальників, конструкторів та дослідників; розвиток нових наукових дисциплін і навчальних предметів, які увібрали в себе аналітичну, прикладну та нарисну геометрії, програмування для ЕОМ, методи обчислювальної математики, приладобудування. Математичне забезпечення ґрунтується на методі математичного моделювання, згідно з яким математична структура, відношення елементів у математичній моделі відповідає структурі й відношенням у реальному об'єкті. У КГ використовується геометрична версія математичного моделювання, при якому дво- та тривимірні зображення складаються з точок, ліній і поверхонь. Програмне забезпечення включає програми в машинних кодах, тексти програм та експлуатаційні документи. Основу програмного забезпечення КГ становлять пакети прикладних програм (ППП), які є набором програм, що реалізують на ЕОМ інваріантні та об'єктно-орієнтовані графічні процедури. Технічне забезпечення – це пристрої обчислювальної й організаційної техніки, засоби передачі даних, вимірювальні та інші пристрої або їх з'єднання. Технічне забезпечення включає комплекс технічних засобів, які забезпечують введення графічної інформації, формування та виведення графічної інформації, редагування. Методичне забезпечення – це документи,в яких відображено склад, правила відбору та експлуатації засобів автоматизації проектування. До методичного забезпечення належать також кадрові питання, розробка ефективних методів та заходів щодо роботи із системою комп'ютерної графіки. 4. Класифікація систем комп’ютерної графіки Використання комп’ютерів для виготовлення креслень почалося з 1980-х років. Ті системи були незручними і дорогими. Досягнення у розробці комп’ютерів та математичного забезпечення протягом останніх років дали можливість створити більш надійні і дешеві системи. Типи комп’ютерів. Є такі основні типи комп’ютерів:

а) магістральні комп’ютери

б) міні-комп’ютери;

в) робочі станції;

г) персональні комп’ютери.

Магістральні комп’ютери є дорогими, з великим обсягом пам’яті для накопичення інформації і необхідних даних. Вони придатні для одночасного виконання різноманітних завдань з великою швидкістю і можуть обслуговувати велику кількість терміналів, які споряджені всім необхідним для сполучення з комп’ютерами. Міні-комп’ютери є зменшеною версією магістральних комп’ютерів. Сучасна тенденція до мінітюаризації приводить до значного зростання обсягу їх пам’яті, що дає змогу поступово замінювати великі магістральні комп’ютери. Міні-комп’ютери можуть вирішувати різноманітні комплексні проблеми і здатні відтворювати складні тривимірні образи. Міні-комп’ютери теж можуть підтримувати декілька терміналів. Робочі станції – самостійні одиниці, в які входить мікрокомп’ютер, звичайно малий і портабельний, зв’язаний з принтерами, плотерами імодемами для передачі даних на будь-яку відстань. Робочі станції можуть працювати незалежно від інших пристроїв, вони мають велику пам’ять і допускають в певних межах виконання декількох завдань від різних користувачів. Персональні комп’ютери (РС), які є мікрокомп’ютерами, дедалі більше використовуються для комп’ютерного креслення. Вони є незалежними системами і можуть працювати з більшістю програмного забезпечення. Мала вартість і постійно зростаюча швидкодія і надійність зумовили велику популярність їх для користувачів. З їх допомогою звичайно є можливим виконувати декілька задач і обслуговувати декілька замовників. Незважаючи на те, що для роботи з комп’ютерною графікою існує безліч класів програмного забезпечення, розрізнюють лише три види комп’ютерної графіки. Це, зокрема: растрова графіка, векторна графіка і фрактальна графіка. Вони відрізняються принципами формування зображення при відображенні на екрані монітору або при друкуванні на папері. 5. Загальна структура і функції комп’ютерної графіки Растрову графіку використовують при розробці електронних (мультимедійних) та поліграфічних видань. Ілюстрації, виконані засобами растрової графіки, рідко створюються вручну за допомогою комп’ютерних програм. Часто з цією метою використовують і сканують ілюстрації, підготовлені художником на папері, чи фотографії. На теперішній час для введення у комп’ютер растрових зображень широко використовують цифрові фото – та відеокамери. Відповідно, більшість графічних редакторів, призначених для роботи з растровими ілюстраціями, орієнтовані не стільки на створення зображень, скільки на їх обробку. Програмні засоби для роботи з векторною графікою навпаки призначені, в першу чергу, для створення ілюстрацій і, меншою мірою, для їх обробки (перетворення). Такі засоби широко використовують в рекламнихагентствах, дизайнерських бюро, редакціях та видавництвах. Оформлювальні роботи, які базуються на використанні шрифтів і простих геометричних елементів, виконуються засобами векторної графіки набагато простіше. Можна назвати також багато прикладів створення високохудожніх творів, які реалізовані засобами векторної графіки. Разом з тим, слід зазначити, що підготовка й виконання таких зображень названою технікою дуже складна справа. Програмні засоби для роботи з фрактальною графікою призначені для автоматичної генерації зображень шляхом математичних розрахунків. Створення фрактальної художньої композиції полягає не в малюванні чи оформленні, а в програмуванні. Фрактальну графіку рідко застосовують для створення друкованих чи електронних документів, зате частіше використовують при підготовці розважальних програм. 6. Растрова графіка. Класифікація, призначення і функції прикладних систем растрової графіки Основним елементом растрового зображення є точка. Якщо зображення екранне, то така точка називається пікселем. У залежності від того, на яке графічне вирішення екрану настроєна операційна система комп’ютера, на екрані можуть поміщуватися зображення, які мають 640 х480, 800 х600, 1024 х768 та більше пікселів. З розміром зображення безпосередньо пов’язане його вирішення. Цей параметр вимірюється у точках на дюйм (dpi). У монітора з діагоналлю 15 дюймів розмір зображення на екрані становить приблизно 28 х24 см. Знаючи, що в одному дюймі 25,4 мм, можна вирахувати, що при роботі монітора в режимі 800 х600 пікселів вирішення екранного зображення дорівнює 72 dpi. При друкуванні вирішення повинно бути значно більшим. Поліграфічний друк повнокольорового зображення потребує вирішення 200 х300 dpi.Стандартний фотознімок розміром 10 х15 см повинен містити приблизно 1000х1500 пікселів. Неважко також установити, що таке зображення буде мати 1,5 млн точок, а якщо зображення кольорове й на кодування однієї точки використані 3 байти, то звичайній кольоровій фотографії відповідає масив даних розміром більше 4 Мбайт. Основні недоліки растрової графіки:

1. Основна проблема при використанні растрових зображень – великі об’єми даних. Для активних робіт з великорозмірними ілюстраціями типу журнальних потрібні комп’ютери з винятково великими розмірами оперативної пам’яті (128 Мбайт і більше). Зрозуміло також, що такі комп’ютери повинні мати високопродуктивні процесори.

2. Другий недолік растрових зображень пов’язаний з неможливістю їх збільшення для розгляду деталей. Оскільки зображення складається з точок, то збільшення зображення приводить до того, що ці точки стають більшими. Ніяких додаткових деталей при збільшенні растрового зображення розглядіти не вдається. Більше того, збільшення розмірів точок растра візуально спотворює ілюстрацію і робить її грубою. Цей ефект називається пікселізацією. Термін CAD може означати два різні поняття:

а) комп’ютерне креслення;

б) комп’ютерне конструювання.

Комп’ютерне креслення – виробництво інженерних креслень, які раніше виконувались на креслярській дошці за допомогою рейсшини, кутників тощо. Комп’ютерне конструювання охоплює процедуру використання комп’ютерів у процесі проектування. Характерні риси, що роблять комп’ютер неоціненною допомогою для конструктора – це можливість виконання розрахунків, аналізу варіантів, їх оцінки і моделювання. Для подальшої інформації див. стор. 164–165.Комбінування процедури конструювання та виготовлення креслень прийнято тепер називати CADD. Виробництво з допомогою комп’ютера (САМ) є системою, що використовує комп’ютери для керування процесами обробки і контролю деталей та інструментів для обробки. Взаємодія між CAD і САМ забезпечується створенням бази даних, в якій міститься інформація, утворена під час конструювання і потрібна для процесу виготовлення окремих деталей. Термін «система» стосується сукупності різних складових частин комп’ютера, зв’язаних між собою для виконання потрібних функцій. Усі комп’ютерні системи складаються з чотирьох елементів:

а) пристрої вводу;

б) процесор;

в) пристрої пам’яті;

г) пристрої виводу.

Головні функції комп’ютерної системи визначаються властивостями окремих елементів. Завдання, які виконує комп’ютер, обумовлені комбінацією властивостей самого комп’ютера та програмним забезпеченням. Комп’ютер – це сукупність фізичних елементів, тобто процесор, монітор, принтер, плотер, диски і т.п. Програмне забезпечення складається з програм і правил їх застосування у комп’ютері. Окремий комп’ютер може використовуватись у багатьох функціях, і для кожної з них потрібне відповідне програмне забезпечення. Для роботи комп’ютера потрібна операційна система, тобто список інструкцій, який зберігається у пам’яті, наприклад DOS, UNIX, PRIMOS і т.д. Ввід. Пристрої вводу використовуються для того, щоб зробити добірку з меню, яке є схемою розміщення різноманітних команд і функцій, необхідних для експлуатації системи. Вводячи ці команди в комп’ютер,одержують закінчене технічне креслення. Меню може бути відтворене в різноманітних формах на плоскій поверхні цифрового табло, яке сполучене з комп’ютером, або демонструватися на екрані комп’ютера. Вибір довільних команд на меню, що висвічується на екрані, робиться шляхом індикації необхідної позиції за допомогою курсор-візира або шляхом набору потрібної команди-коду. Рух курсору на екрані може бути проконтрольований за допомогою пристроїв, показаних на рис. 13.2: а) КЛАВІАТУРОЮ, де розміщені клавіші контролюють необхідне переміщення; б) ОБЕРТОВИМ МАНІПУЛЯТОРОМ, коли одне коліщатко контролює горизонтальне переміщення, в друге коліщатко контролює вертикальний рух; в) СВІТЛОВИМ ПЕРОМ, де потрібна позиція вибирається шляхом висвічування пером безпосередньо на екрані; г) ДЖОЙСТИКОМ – пристроєм, що вмонтований в бокс і контролює рухи в будь-якому напрямку; д) МАНІПУЛЯТОРОМ ТИПУ «МИША» – пристроєм, який у випадку притискання впоперек поверхні контролює рухи в тому самому напрямку; е) КУЛЬКОВИМ МАНІПУЛЯТОРОМ, який, провертаючись в оправі, контролює рухи в будь-якому напрямку; є) КООРДИНАТНИМ МАНІПУЛЯТОРОМ або (ж) ПЕРОМ у поєднанні з цифровим табло, які можуть вводити закінчене креслення з ескізу або напівзакінченого креслення шляхом прикріплення їх до робочої поверхні й індикації вузлових точок на лініях, кривих тощо і введення потрібних команд. ДИСПЛЕЙ. ДИСПЛЕЙНІ ПРИСТРОЇ використовуються для візуального відтворення інформації. Є два основних типи комп’ютерних дисплейних зображень на екрані: растр і підновлення.РАСТРОВА СКАНУЮЧА ТРУБКА, яка подібна до телевізійного екранного зображення, використовує сітку пунктирів, відому як пікселі, для дисплейного зображення. Картинка поновлюється або сканується дуже швидко з постійними горизонтальними підсиленнями (розгортками) для покриття суцільної поверхні екрану із швидкістю близько 50 сканувань на секунду з інтенсивністю, яка змінюється за необхідності для всіх точок, що утворюють зображення. Така система досягає швидкого поновлення і високої якості кольорів та дозволяючої здатності. СИСТЕМА ТРУБКИ ПІДНОВЛЕННЯ підтримується за допомогою регулярних перекреслень (з частотою 50 разів на секунду) ліній, арок і кривих. Спочатку точки є локалізованими, потім необхідні з’єднуючі лінії або криві кресляться безпосередньо за допомогою електронного променя. Введення нової інформації є доволі швидким, але кольорова здатність є обмеженою, і існує тенденція до блимання зображення, якщо картинка стає більш складною. ВИВІД. Пристрої виводу приймають дані від комп’ютера і забезпечують вивід, ретельне копіювання. Є два головних типи пристроїв виводу: принтери і плотери (графопобудовачі). ПРИНТЕРИ можуть бути ударними, де зображення формується за допомогою ударяючих дій, або неударними. а) УДАРНІ ПРИНТЕРИ для репродукції креслень є точково- матричного типу і формують образ шляхом відповідного відтворення точок з головки принтера; б) НЕУДАРНІ ПРИНТЕРИ включають електростатичні, струменеві і лазерні принтери: (І) ЕЛЕКТРОСТАТИЧНІ ПРИНТЕРИ утворюють зображення шляхом випалювання тонкого металічного покриття на спеціальному принтерному папері;(ІІ) СТРУМЕНЕВІ ПРИНТЕРИ використовують принтерну головку, яка направляє цівку чорнила на папір для утворення потрібного зображення; (ІІІ) ЛАЗЕРНІ ПРИНТЕРИ використовують тонкий промінь лазерного світла для утворення потрібних образів. Плотери використовують для побудови графіків та інженерного креслення за допомогою одного або декількох пер креслення на папері. Існує два основних типи плотерів – пласкі і барабанні: а) ПЛАСКІ ПЛОТЕРИ мають рівну площину, на якій розміщено папір будь-якого типу і товщини з перами різної товщини і різним кольором чорнила, що вільно рухаються в будь-якому напрямку; б) БАРАБАННИЙ ГРАФОПОБУДОВАЧ має барабан, поверх якого папір може рухатись в двох напрямках, а рух пера є обмеженим тільки впоперек барабана; таким чином комбінація руху пера і обертання барабана забезпечує необхідний хід. У порівнянні з пласкими графопобудовачами, на барабанному плотері одержуються креслення більшої довжини, проте іноді меншої точності.