Краткая история развития компьютерной графики

Иркутский государственный технический университет

Факультет Кибернетики

Кафедра Автоматизированных систем

Компьютерная графика

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

Направление подготовки:

230100 « Информатика и вычислительная техника»

Специальность:

230102 «Автоматизированные системы обработки информации и управления»

Иркутск 2008

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Основные понятия компьютерной графики...............................................4

2. Краткая история развития компьютерной графики...................................6

3. Графический интерфейс пользователя GUI...............................................9

4. Область применения компьютерной графики............................................9

5. Основные понятия растровой графики.....................................................10

6. Структура файла растровой графики........................................................11

7. Методы создания растровых изображений (цифровые-аналоговые).....14

8. Цветовые модели используемые в компьютерной графики...................18

9. Цветовая модель RGB.................................................................................20

10. Цветовая модель HSL.................................................................................22

11. Цветовая модель CMYK.............................................................................23

12. Глубина цвета..............................................................................................24

13. Форматы файлов растровой графики........................................................28

14. Методы сжатия растровых данных без потерь........................................30

15. Методы сжатия растровых данных с потерями.......................................32

16. Алгоритмы растровой графики..................................................................34

17. Основные понятия векторной графики.....................................................36

18. Кривы Безье 2-го и 3-го порядка...............................................................38

19. NURBS кривые............................................................................................41

20. Формат записи векторной графики PostScript..........................................42

21. Формат SVG.................................................................................................43

22. Афинные преобразования на плоскости...................................................46

23. Форматы файлов векторной графики........................................................54

24. Основные понятия 3D компьютерной графики.......................................55

25. Геометрическое моделирование................................................................57

26. Построение кривых поверхностей.............................................................59

27. Полигональные сетки.................................................................................60

28. Афинные преобразования в пространстве................................................62

29. Основные понятия рендеринга..................................................................64

30. Z-буферизация.............................................................................................66

31. Ортогональные проекции...........................................................................68

32. Перспективная проекция............................................................................70

33. Методы создания элементов сцены...........................................................71

34. Текстурирование.........................................................................................72

35. Моделирование освещения........................................................................73

36. Трассировка лучей......................................................................................74

37. OpenGL.........................................................................................................75

38. DirectX..........................................................................................................77

39. GDI+.............................................................................................................78

40. Flash API.......................................................................................................81

Основные понятия компьютерной графики

Компьютерная графика (также машинная графика) — область деятельности, в которой компьютеры используются как для синтеза изображений, так и для обработки визуальной информации, полученной из реального мира. Также компьютерной графикой называют и результат этой деятельности. По способам задания изображений графику можно разделить на категории:

Двумерная графика

Двумерная компьютерная графика классифицируется по типу представления графической информации, и следующими из него алгоритмами обработки изображений. Обычно компьютерную графику разделяют на векторную и растровую, хотя обособляют ещё и фрактальный тип представления изображений.

Векторная графика

Векторная графика представляет изображение как набор геометрических примитивов. Обычно в качестве них выбираются точки, прямые, окружности, прямоугольники, а также как общий случай, сплайны некоторого порядка. Объектам присваиваются некоторые атрибуты, например, толщина линий, цвет заполнения. Рисунок хранится как набор координат, векторов и других чисел, характеризующих набор примитивов. При воспроизведении перекрывающихся объектов имеет значение их порядок.

*Растровая графика

Растровая графика всегда оперирует двумерным массивом (матрицей) пикселов. Каждому пикселю сопоставляется значение — яркости, цвета, прозрачности — или комбинация этих значений. Растровый образ имеет некоторое число строк и столбцов.

Без особых потерь растровые изображения можно только лишь уменьшать, хотя некоторые детали изображения тогда исчезнут навсегда, что иначе в векторном представлении. Увеличение же растровых изображений оборачивается красивым видом на увеличенные квадраты того или иного цвета, которые раньше были пикселями.

В растровом виде представимо любое изображение, однако этот способ хранения имеет свои недостатки: больший объём памяти, необходимый для работы с изображениями, потери при редактировании.

*Фрактальная графика

Фрактал — объект, отдельные элементы которого наследуют свойства родительских структур. Поскольку более детальное описание элементов меньшего масштаба происходит по простому алгоритму, описать такой объект можно всего лишь несколькими математическими уравнениями.

Фракталы позволяют описывать целые классы изображений, для детального описания которых требуется относительно мало памяти. С другой стороны, к изображениям вне этих классов, фракталы применимы слабо.

*Трёхмерная графика (3D)

Трёхмерная графика оперирует с объектами в трёхмерном пространстве. Обычно результаты представляют собой плоскую картинку, проекцию. Трёхмерная компьютерная графика широко используется в кино, компьютерных играх.

В трёхмерной компьютерной графике все объекты обычно представляются как набор поверхностей или частиц. Минимальную поверхность называют полигоном. В качестве полигона обычно выбирают треугольники.

Термин "компьютерная графика" часто заменяют на СGI — Сomputer Generated Images (Генерированные Компьютерные Объекты)

Любое изображение на мониторе, в силу его плоскости, становится растровым, так как монитор это матрица, он состоит из столбцов и строк Трёхмерная графика существует лишь в нашем воображении, так как то, что мы видим на мониторе — это проекция трёхмерной фигуры, а уже создаём пространство мы сами. Таким образом визуализация графики бывает только растровая и векторная, а способ визуализации это только растр (набор пикселей), а от количества этих пикселей зависит способ задания изображения.

Краткая история развития компьютерной графики

Первые вычислительные машины не имели отдельных средств для работы с графикой, однако уже использовались для получения и обработки изображений. Программируя память первых электронных машин, построенную на основе матрицы ламп, можно было получать узоры.

В 1961 году программист С. Рассел возглавил проект по созданию первой компьютерной игры с графикой. Создание игры «Spacewar» («Космические войны») заняло около 200 человеко-часов. Игра была создана на машине PDP-1.

В 1963 году американский учёный Айвен Сазерленд создал программно-аппаратный комплекс Sketchpad, который позволял рисовать точки, линии и окружности на трубке цифровым пером. Поддерживались базовые действия с примитивами: перемещение, копирование и др. По сути, это был первый векторный редактор, реализованный на компьютере. Также программу можно назвать первым графическим интерфейсом, причём она являлась таковой ещё до появления самого термина.

В середине 1960-х гг. появились разработки в промышленных приложениях компьютерной графики. Так, под руководством Т. Мофетта и Н. Тейлора фирма Itek разработала цифровую электронную чертёжную машину. В 1964 году General Motors представила систему автоматизированного проектирования DAC-1, разработанную совместно с IBM.

В 1968 году группой под руководством Н. Н. Константинова была создана компьютерная математическая модель движения кошки. Машина БЭСМ-4, выполняя написанную программу решения дифференциальных уравнений, рисовала мультфильм «Кошечка», который для своего времени являлся прорывом. Для визуализации использовался алфавитно-цифровой принтер.

Существенный прогресс компьютерная графика испытала с появлением возможности запоминать изображения и выводить их на компьютерном дисплее, электронно-лучевой трубке.

Первый компьютер JBM PC – 1981 году был оснащен видеоадаптером MDA. Видеосистема была предназначена для работы только в текстовом режиме.

Через год появляются видеоадаптер Hercules, который поддерживал уже графический черно-белый видеорежим, с размером 720?348 пикселей.

Следующим шагом был видеоадаптер CGA – 1983. Это была первая цветная модель для IBM PC. Он позволил работать в цветном текстовом и графическом режимах.(320?200 – цветной, 640?200– черно-белый, в цветном может обрабатывать 4 цвета)

В 1984 году появился видеоадаптер EGA. У него был 16-цветный режим, размером 640?350 пикселей (он имеет недостаток – пиксели не квадратные).

В 1987 появились адаптеры MCGA(Multicolor) и VGA(Video) (256-цветные видеорежимы). На VGA стало возможно черно-белое фото. Появляются видеоадаптеры, обеспечивающие видеорежимы при 16 цветах – 800х600, 640х480, 1024х768- Super VGA.

1995год–Targa 24-16 000000 цветов, т.е. 24 бита/пиксель. Apple, Macintosh стали сдавать позиции.

В настоящее время используется шина PCI-Express. Кроме видеопамяти на плате видеоадаптера располагается специальный мощный графический процессор, который по сложности приближается к центральному. Кроме визуализации содержимого видеопамяти графический дисплейный процессор выполняет такие растровые операции как рисование массивов пикселей, манипуляции с цветами пикселей, копирование, наложение текстуры и т.д. Ранее эти функции выполнялись центральным процессором, а графически использовались лишь для рисования линий и т.д.

Видеоадаптер выполняет эти операции аппаратно, что позволяет намного ускорить их в сравнении с программной реализацией центрального процессора. Наиболее известными являются Open GL, Direct X . Одним из наиболее распространенных является Open GL. Он является библиотекой графических функций и поддерживается многими операционными системами, в том числе и Windows. Графический интерфейс Direct X предназначен для работы под Windows, имеет подсистему 3-х мерной графики Direct 3D и подсистему Direct DRAW,который имеет доступ к видеопамяти.