ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ

Лекция 1 для очного отделения ХПИ

ТЕМА 1: «ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ»

Компьютерная графика (computer graphics)— это область информатики, которая рассматривает все аспекты формирования изображений с помощью компьютеров. Эта область начала развиваться около 40 лет назад. В те годы удавалось добиться отображения нескольких десятков отрезков на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), а современные системы машинной графики позволяют создавать изображения, практически неотличимые по качеству от фотографических снимков.

1. История развития компьютерной графики

Началом эры КГ можно считать проект 1950 года WHIRLWIND («Вихрь») Массачусетского технологического института (МТИ). Этот проект стал основой системы воздушной защиты США, как средство преобразования данных, полученных от радара, в графическую форму.

1960-е. Теоретические, коммерческие вехи

1963 г.	Докторская диссертация Ивана Сазерленда (МТИ) явилась теоретической основой для программного обеспечения компьютерной графики.
середина 60-х	Первая цифровая электронная чертежная машина фирмы Itek стала основой для серии систем интерактивной графики компании Control Data Corp.
1964 г.	General Motors представила DAC-1 - систему автоматизированного проектирования, разработанную совместно с IBM.
1965	Системы числового программного управления (ЧПУ) для фирмы Lockheed.
октябрь 1966 г.	Первые статьи о КГ.
1968 г.	Появление запоминающих электронно-лучевых трубок фирмы Computer Displays, которые позволили снизить стоимость часа машинного времени с 250 долл. до 10-30 долл.

1970-е. Системы «под ключ». Растровые системы

рост количества фирм по разработке программного обеспечения;
появление растровых дисплеев, имеющих множество преимуществ: вывод больших массивов данных, устойчивое, немерцающее изображение, работа с цветом. Впервые стало возможным получение блестящей цветовой гаммы.
снижение стоимости памяти для дисплеев;
устройства ввода в 60-х годах ограничивались клавиатурой и световыми перьями. В 70-х этот список пополнился мышью, трекболом, графическими планшетами и дигитайзерами, а также сенсорными устройствами;
получение высококачественных монохромных копий на высокоскоростных электростатических графопостроителях, цветных копий - на менее дорогих, многоперьевых крупноформатных электромеханических и струйных графопостроителях.
наиболее знаменательным событием было создание в 1977 персонального компьютера (Commodore выпустила свой PET (персональный электронный делопроизводитель), а компания Apple создала Apple-ll). Появление ПК стимулировало процесс разработки периферийных устройств: недорогих графопостроителей и графических планшетов.

1980-е. Уменьшение соотношения «цена/ производительность»

полного расцвета достигло первое приложение САПР - одно из первых применений КГ, способное вернуть сделанные в нее капиталовложения;
в 1984 году появилась модель Apple Macintosh с графическим интерфейсом пользователя. Первоначально областью применения ПК были не графические приложения, а работа с текстовыми процессорами и электронными таблицами, однако его возможности как графического устройства стимулировали к разработке относительно недорогих программ как в области CAD/CAM, так и в более общих областях бизнеса и искусства;
дисплеи в 1000 строк и с 16 млн. цветов стали привычными: появились цветные дисплеи на 2000 строк, становятся доступными монохромные системы с размером экрана в 3000 строк;
появилась возможность вывода фотореалистических изображений на высокопроизводительных компьютерах стоимостью от 30 до 100 тысяч долл.;
возникла необходимость обработки, хранения и передачи сканируемых пиксельных изображений;
широкое внедрение стереоскопического программного обеспечения в приложения, использующие трехмерную визуализацию, например, при моделировании молекул. Ранние системы использовали двухцветную (обычно красный и зеленый) технику, которая ограничивала реальность;
к 1989 году стало возможным за 2 тысячи долларов купить стереоскопические очки. Очки имели компактную батарейку возле ушной раковины и были связаны с компьютером посредством беспроволочного инфракрасного соединения;
появление перьевых графопостроителей, электростатических и струйных принтеров;
эти годы характеризовались существенным повышением производительности компьютеров и снижением соотношения цена/производительность;
к концу десятилетия программное обеспечение имелось для всех сфер применения.

1990-е. Производственные связи

дальнейшее развитие программного обеспечения;
появление настольных издательских систем;
существенное повышение производительности аппаратных средств и снижение соотношения цена/производительность;
появление возможности вывода фотореалистических изображений. Акцент на обработке, хранении и передаче сканируемых пиксельных изображений;
появление устройств ввода для создания трехмерных изображений: spaceball (шесть степеней свободы), очков, сенсорных устройств позиционирования;
внедрение стереоскопического программного обеспечения, использование и совершенствование технологий визуализации (в том числе трехмерной) в науке, технике, медицине, юриспруденции, обучении, рекламе, шоу – бизнесе;
становление мультимедиа;
развитие технологии виртуальной реальности (как высшее достижение компьютерной графики);
в 1991 году доходы от КГ в равной степени были получены в технических и нетехнических областях применения КГ. Теперь уровень доходов устойчиво сдвинулся в сторону нетехнических приложений и к 1998 году около двух третей всех доходов от КГ поступает из нетехнических областей применения: искусство, бизнес, развлечения.

2. Области применения компьютерной графики

Развитие компьютерной графики определяется двумя факторами:

реальными потребностями пользователей;
достижениями в области аппаратного и программного обеспечения.

Хотя компьютерная графика используется в самых различных сферах жизни современного общества, можно выделить четыре главные области ее применения:

Отображение информации.
Проектирование.
Моделирование.
Пользовательский интерфейс.

1.1. Отображение информации

Полиграфия. Создание книг, периодических изданий, визиток, бланков, рекламных листовок, буклетов, плакатов, наружной рекламы.

Мультимедиа. Это область КГ, связанная с созданием интерактивных энциклопедий, справочных систем, обучающих программ.

Статистика. Представление в графическом виде первичных данных и результатов их статистической обработки в виде графиков, диаграмм с применением цвета – т.н. деловая графика.

Медицина. Новые технологии визуализации состояния человеческого организма, такие как компьютерная томография, ультразвуковое зондирование позволяют получать трехмерные модели внутренних органов. Затем эта информация обрабатывается медицинской аппаратурой.

Наука. Стало возможным исследовать проблемы, ранее отнесенные к классу неразрешимых. В таких областях, как течение жидкостей, молекулярная биология и математика, осуществляется преобразование первичных данных в визуальные геометрические образы.

Картография.

Создание географических компьютерных карт. Можно выделить три категории карт.

Карты экстра-класса

Такие карты создают для профессиональной работы в области землеустройства, строительства, навигации и ряде других. Здесь требуется достоверная топографическая основа, получаемая обычно в результате аэрофото- или натурной съемки.

Программные и аппаратные средства для их создания стоят до десятков тысяч долларов. Основные трудозатраты - это гигантская работа по съемке местности и вводу информации в компьютер.

В последние годы развиваются геоинформационные системы (ГИС). ГИС включает качественную универсальную карту, обычно региона или страны, и большой объем самой разнообразной информации, связанной с объектами, расположенными на ней.

Карты среднего класса

Нужны для профессиональной работы, не требующей высокоточных расчетов. Типичные пользователи: муниципальные службы, тепло-, электро- и другие сети, милиция, пожарная охрана, железные дороги и так далее. Недостатком является неудобство вносить изменения.

Карты простые

К этой категории можно отнести карты-схемы, предназначенные преимущественно для бытового использования. Требования к топооснове самые низкие: достаточно, чтобы можно было сориентироваться на местности, определить, как проехать к той или иной точке. Обычно эту категорию составляют карты городов, карты автомобильных дорог и т.п.

Ценность таких карт в основном определяется степенью подробности и содержимым дополнительных справочников (предприятий, телефонов, адресов, городского транспорта и т.д).

Развитие компьютерной картографии имеет следующую тенденцию: несмотря на то, что цены на программное обеспечение могут снижаться, стоимость создания карты не может стать ниже определенного порога, т.к. каждая разработка связана с большим объемом квалифицированного и мало автоматизированного труда.

1.2. Проектирование

Проектирование – стадия создания изделия.

Существуют системы автоматизации проектирования (САПР), которые применяются в самых разнообразных отраслях техники — автомобилестроении, самолетостроении, строительстве, в швейном производстве и т.д.

Системы автоматизированного проектирования можно разделить на две группы: плоскостные и объемные.

Плоскостные системы – это компьютеризованные чертежные доски, где проектирование осуществляется в двухмерной системе координат.

Системы объемного проектирования позволяют осуществлять проектирование в трехмерной системе координат:

строить трехмерные модели деталей и узлов;
вычислять геометрические и другие характеристики деталей и узлов;
моделировать сборку и визуальный анализ компоновки узлов;
анализировать кинематику и динамику механизмов;
проектировать технологическую оснастку;
создавать программы для станков с ЧПУ;
выдавать чертежи деталей и узлов;
создавать фотореалистические изображения изделия.

Проблемы перехода к САПР

При переходе от «ручного» проектирования к автоматизированному возникает целый ряд проблем, в том числе объективные и субъективные.

Объективные причины заключаются в том, что в автоматизация проектирования требует вложений больших денежных и интеллектуальных средств.

Субъективные причины связаны в основном с консерватизмом конструкторов и руководителей.

консерватизм конструкторов - состоит также в психологическом барьере при переходе от большого пространства кульмана к небольшому экрану монитора, когда нет невозможности обзора всего чертежа или модели одновременно.
консерватизм руководителей – нежелание проявляется в необходимости закупать дорогое программное обеспечение и в трудности обучения персонала.

1.3. Моделирование

Виртуальная реальность (VR—; virtual reality) – высшее достижение компьютерной графики. В VR-системах человек-наблюдатель пользуется специальным шлемом с двумя миниатюрными дисплеями, на экранах которых формируются разные изображения для правого и левого глаза. В результате создается стереоэффект. Кроме того, анализируется положение и ориентация головы наблюдателя и соответственно изменяется изображение на экранах дисплеев. На руки надеваются перчатки с силомоментными датчиками, в наушниках дается звуковое сопровождение, таким образом, создается полная иллюзия погружения в виртуальную среду. С помощью такой системы хирург может отработать методику проведения операции, астронавт может подготовиться к выходу в открытый космос и проведению ремонтных работ и т.п.

В кино. В ноябре 1996 года мультфильм Toy Story (кинокомпания Walt Disney Pictures) впервые был создан полностью средствами компьютерной графики.

Одним из первых фильмов, использующих компьютерную графику, был «Газонокосильщик», но уровень развития технологии того времени не позволил преодолеть барьер между графикой и реальностью. В этом кинофильме кадры живой съемки чередуются с кадрами, созданными средствами компьютерной графики.

В «Терминаторе-2» кадры, созданные средствами компьютерной графики, накладываются на живую съемку и различия между ними заметны визуально.

Первой по-настоящему серьезной работой в этой области можно считать только «Парк юрского периода», в котором невозможно визуально отличить компьютерную графику от реальных съемок.

Видеомонтаж. Можно условно разделить на два вида:

спецэффекты в кино;
подготовка телевизионных передач.

Анимация по ключевым кадрам

Суть метода сводится к установке заданных положений объектов в ключевых кадрах. Положения объекта между ключевыми кадрами компьютер дорисовывает автоматически. Этот метод схож с традиционной рисованной мультипликацией: художник рисует основные фазы движения отдает их раскадровщику, который дорисовывает все остальные кадры.

Анимация по ключевым кадрам является базовым методом создания движения в компьютерной графике. Все остальные методы в той или иной степени базируются на ней.

Сотворение человека в виртуальном мире

Тенденция современного кино - появление первого компьютерного киноактера. В настоящее время актеров занимает вопрос: возможно ли такое, что компьютерные киноактеры полностью заменят живых актеров и эта профессия отомрет.

Анимация виртуальных персонажей с использованием датчиков на живых актерах и роботах

В фильме «Терминатор-2» компьютерный робот двигается как настоящий человек. В «Терминаторе-2» впервые применена технология оцифровки движений реального человека.

Это осуществляется следующим образом:

в компьютере моделируется векторная модель человека, в точности копирующая все части тела живого актера,
на теле живого актера располагаются датчики;
данные с датчиков поступают в компьютер, и, в зависимости от движений артиста, компьютерная модель двигает руками и ногами так же, как и оригинал. Эта технология используется не только для создания виртуальных актеров.

1.4. Интерфейс пользователя

Такие графические средства интерфейса, как диалоговые окна, пиктограммы, меню, форма курсора мыши являются объектами разработки дизайнеров средствами компьютерной графики.

3. Коммерческие разновидности программ

Коммерческие программы

Большинство программ распространяется на коммерческой основе. Обычно продаются в коробках, содержащих дискеты или компакт-диски, документацию, регистрационную карточку. Набор дискет или компакт-дисков, на которых распространяется программа, называется дистрибутивом.

Бесплатные программы

Типичные каналы их распространения — глобальная электронная сеть Internet, электронные доски объявлений (BBS) и т.д.

Условно-бесплатные программы (shareware).

Их можно получить и опробовать бесплатно, но для систематического их использования необходимо уплатить разработчикам или распространителям программы определенную (чаще всего небольшую) сумму. После этого разработчик высылает регистрационный ключ (комбинацию символов), позволяющий задействовать дополнительные возможности программы.

Пиратские копии программ

Это незаконно изготовленные копии программ (пиратские). Распространяются на компакт-дисках без всякой документации. Не дают гарантии корректной работы программы.

Защищенные от копирования программы

Это означает, что при копировании таких программ на другой компьютер полученная копия не будет работать. Защита от копирования характерна для отечественных программ.

Нумерация версии программ

Чаще всего версии программ обозначаются числами, разделенными точкой. Существенные изменения в программах отражаются увеличением цифры до точки, незначительные изменения или исправления ошибок — увеличением цифр, стоящих после точки.

PhotoShop 5.0,

PhotoShop 5.5.

PhotoShop 6.0.

Операционные системы обозначаются цифрами:

Windows 3.0 (читается «три ноль»);

Windows 2000 (по году выпуска).

я ХПИ

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ