Комп'ютерна графіка – перспективна галузь інформатики

Комп'ютерна графіка - перспективна галузь інформатики

Визначним досягненням людства в останні десятиріччя є швидкий розвиток електроніки, обчислювальної техніки, молекулярної, атомної, квантової теорії 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 напрямків і різноманітних застосувань. Для одних із них основою є автоматизація креслення технічної документації, для інших - проблеми оперативної взаємодії людини й комп'ютера, задачі числової обробки, розшифрування та передачі зображень, а також створення динамічних, віртуальних, мультимедійних комп'ютерних середовищ та тривимірних твердотільних моделей.

Сучасне розширення можливостей ЕОМ, створених для виконання обчислень, дає змогу комп'ютеру сприймати й наочно зображати результати розрахунків та будувати необхідні комплексні креслення, схеми тощо.

Зорове сприйняття графічної інформації для людини має важливе значення, обсяг і швидкість сприйняття зорових образів значні. Для уявлення особливостей креслення чи будь-якого процесу досить кількох секунд, протягом яких ми розглядаємо креслення, графік функції чи інше наочне зображення. На розшифрування та порівняння тисяч чисел, якими можуть бути подані ті самі об'єкти, потрібні години. Отже, важливість наочного подання комп'ютером результатів обчислення важко переоцінити.

Однією з основних підсистем САПР, що забезпечує комплексне виконання проектних робіт на основі ЕОМ, є комп'ютерна графіка (КГ).

Комп'ютерною графікою називають наукову дисципліну, яка розробляє сукупність засобів та прийомів автоматизації кодування, опрацювання 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.

Упродовж останнього двадцятиріччя ведеться інтенсивний пошук шляхів та способів розв'язання проблеми різкого підвищення продуктивності інженерної праці під час виконання креслярсько-графічних робіт, конструкторської та технологічної підготовок виробництва. Це спричинено потребою ліквідувати розрив, який утворився між відносно високою продуктивністю автоматизованого процесу основного виробництва та низькою продуктивністю ручного чи механізованого процесу конструкторської й 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 створення та розвитку систем інтерактивного графічного моделювання тривимірних об'єктів різноманітного функціонального призначення;

- необхідністю автоматизації виконання численних креслярсько-графічних робіт;

- необхідністю підвищення продуктивності та якості інженерної праці.

Метою КГ є створення комплексних тривимірних мультимедійних моделей як окремих об'єктів, так і комплексів об'єктів, віртуальних середовищ, з можливістю імітування технологічних процесів виробництва, для розробки комплексних креслень деталей, складальних одиниць та підготовки керуючих програм для верстатів з ЧПК і оброблювальних центрів.

Задачі, які розв'язуються за допомогою КГ:

- підвищення продуктивності та точності при розробці нових деталей та інструменту, автоматизація створення комплектів креслень з урахуванням усіх вимог;

- зменшення кількості експериментальних зразків та браку за рахунок використання комп'ютерних тривимірних, твердо-тільних моделей, створених з урахуванням конкретної технології виробництва;

- розробка керуючих програм для верстатів з ЧПК, що враховують технологічні можливості пристроїв;

- використання тривимірних мультимедійних віртуальних середовищ для створення різних імітаторів, тренажерів, навчальних стендів та ін.

Історія і перспективи розвитку комп'ютерної графіки

У 1942 р. математик Кембриджського університету Алан Тьюрінг розробив «Колос» - перший у світі комп'ютер на електронних лампах, який увів людство в електронно-комп'ютерний вік.

У 1947 р. сталася подія, що радикально змінила наш світ, - був створений транзистор, який зробив у XX ст. революцію в усіх галузях людської діяльності. І не дивно, що винахідники Джон Еардін, Уолтер Браттейн І Уїльям Шоклі у 1956 р. удостоєні Нобелівської премії у галузі фізики. Почалося виготовлення комп'ютерів другого покоління на транзисторах, а пізніше - комп'ютерів третього покоління на інтегральних схемах.

У 1975 р. винайдено «чіп» - функціональний кристал, дуже складний, але зручний для складання великих інтегральних схем (ВІС) і надвеликих інтегральних схем (НВІС). Успіхи нової технології дають змогу виготовляти чіпи у вигляді мініатюрних кристалів, функціонально еквівалентних схемам з мільйонами транзисторів. Розробники прагнули до все більшої мініатюризації комп'ютерів І, нарешті, їхні зусилля увінчались успіхом. Сконструйовані на базі ВІС та НВІС комп'ютери четвертого та п'ятого поколінь по праву дістали назву мікропроцесорів.

На основі нової технології провідна фірма Nvidia розробила ряд сучасних чіпів GeForce 256, GeForce GTS, GeForce 2 MX, GeForce 2, які можуть перевернути світ мультимедіа та тривимірної графіки. Основою для стрибка в майбутнє мультимедіа та тривимірної графіки є новий дизайн чіпів GeForce 256 та Playstation Synthesizer. У високотехнологічних кристалах чіпів GeForce міститься 23 млн транзисторів, а в Playstation Synthesizer 287,5 млн транзисторів.

На базі чіпа GeForce 256 фірма Intel створила комп'ютери Pentium III 1400 шостого покоління, а на базі чіпа GeForce 3 - комп'ютери Pentium IV 1700 сьомого покоління.

Зараз фірма. Sony розробила графічний чіп для Playstation 3 - Graphic Synthesizer, на базі якого створюватиметься комп'ютер восьмого покоління. Компанія KMS (Kyrz-weil Music Systems) створила перший у світі семпл - синтезатор Kyrzweil 250. Цей синтезатор тримає у пам'яті оцифровані фрагменти звуку живих інструментів та має унікальну за параметрами чутливість до швидкості тиску на клавіатуру. Якість синтезу звуків надто висока - на тестових прослу-ховуваннях професійні піаністи не могли відрізнити звучання Kyrzweil 250 від концертного рояля. Сучасні комп'ютери мають абсолютно плоский, багатий на кольори екран, відео і потужні засоби візуалізації, виконують голосові команди, працюють зі швидкістю 10^і'…ІО¹² операцій за секунду, можуть розпізнавати мову, керуватися поглядом, дають змогу проводити відеоконференції, мають багату ЗО-графіку, можуть керуватися дистанційно. Офісні ПК матимуть інтерфейс, який розпізнаватиме людську мову, забезпечуватиме доступ до інформації в усьому світі, її опрацювання і зберігання.

У найближчі 10 років у ПК мають відбутися такі зміни:

- чергове десятикратне збільшення продуктивності ПК та місткості зберігання інформації;

- розпізнавання мови і одночасний переклад простих речень;

- зникне настільний ПК, його замінить кишеньковий мобільний прилад, який за своєю потужністю буде в 10 разів більший за сучасний ПК;

- масовим комп'ютером стане портативний прилад безпровідного Інтернет-зв'язку і e-mail;

- з'явиться можливість керувати окремими молекулами;

- у 2010 р. почнуть з'являтися нові технології чіпа, які ґрунтуватимуться на квантових точках І тунелюванні.

До 2020 р. людство стане свідком стрибкоподібного збільшення продуктивності, яке ґрунтуватиметься на переході до молекулярної нанотехнології та нової кривої закону Мура. Тривимірне відображення, мова, Інтернет тощо приведуть до необмеженої потреби в обчислювальних потужностях.

Поняття «нано» походить з грецької мови (у перекладі означає «карлик») і використовується як приставка для позначення однієї мільярдної частки метра чи однієї мільйонної частки міліметра. Нанотехнологія, а також наноелектроніка належать до ключових технологій майбутнього. Для порівняння людське волосся за товщиною перевищує І нм у 10 тис. разів. Розміри в 1 нм відповідають ланцюжку з 3…5 атомів, які утворюють нашу матерію.

Подальша перспектива розвитку комп'ютерної графіки пов'язана з глибинними змінами в комп'ютерній технології.

Нині сучасні технології виготовлення чіпів досягли своїх меж. Однак існують досить великі перспективи: нанотехнології, що розробляються сьогодні, мають забезпечити створення нової елементної бази (створення чіпів майбутнього, які будуть сумірні з атомами).

Природа вже давно знайома з наноме-ханізмами. Органічні молекули в клітинах усіх живих організмів виробляють білок, самовідтворюються, здійснюють гнучке керування процесами відповідно до зовнішніх умов. Вони володіють інформаційною пам'яттю, яка перевищує за інформаційною щільністю будь-яке інше середовище навколишнього світу.

Наноінструменти - силовий та растровий тунельні мікроскопи, які дають змогу бачити об'єкти, сумірні з атомами. Фізики Герд Біннінг і Генріх Рорер у 1986 р. отримали за прилад Нобелівську премію.

Усе це є лише першим кроком на шляху до напоелектроніки. Працездатний нано-комп'ютер з'явиться лише у першій половині XXI ст. Деякі плоди наноелектропіки можуть знайти свою промислову реалізацію вже найближчим часом. Вчені корпорації IBM на основі нанотехнології розробили нову речовину, яка дає змогу у сотні разів збільшити ємність комп'ютера. При цьому використовуються шари завтовшки 4 нм, які складаються з розташованих у певній послідовності частинок, що намагнічуються.

Частота не може зростати необмежене, оскільки вступають у дію закони фізики, які обмежують швидкість руху електронів у провіднику.

До найперспективніших технологій, здатних збільшити тактову частоту майбутніх комп'ютерів (нанообчислювачів) належать також молекулярні, атомні, квантові й оптичні нанотехнології, які відкривають нову еру мікроскопічних чіпів, що складаються з мільярдів транзисторів, сумірних з розмірами атома. На базі цих чіпів створюватимуться комп'ютери XXI ст.:молекулярні, біологічні, квантові, оптичні. Нанотєхнології відкривають можливість створення комп'ютерів, що володіють інтелектом, «живих» біочіпів та людино-ма-шинних гібридів.

Праці Рея Курцвейла зі штучного інтелекту дають змогу говорити про можливість створення в 2030 р. кібереквівалента людського розуму.

Сьогодні вже існують транзистори, які реагують на окремі електрони, надточні провідники, а також інші розробки, що допомагають «приручити» квантову механіку. Робляться спроби використати закони квантової механіки для створення наступного покоління квантових комп'ютерів. Створення таких комп'ютерів очікується через 50 років. Парадигма обчислень буде абсолютно іншою, ніж та, яку людство розвивало впродовж другої половини XX ст.

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.

Комп'ютерна графіка становить цілий ряд напрямів і має найрізноманітніші застосування. За допомогою КГ розв'язують багато графічних задач. У комп'ютері синтезуються прості та складні об'єкти: поверхні, тіла, структури. Без швидкого й точного розв'язання графічних і геометричних задач не можна освоювати космос, конструювати складні механізми і машини, будувати інженерні споруди, розвивати медицину тощо.

Комп'ютерну графіку широко застосовують при розв'язанні актуальної проблеми

підвищення продуктивності й точності інженерної праці. Цього досягають автоматизацією розрахунково-графічних робіт, розв'язуючи різноманітні задачі у галузі машинобудування, літакобудування, профілювання складного різального інструменту тощо.

Комп'ютерну графіку широко застосовують також при розв'язуванні актуальної проблеми підвищення продуктивності та якості виготовлення виробів основного виробництва. Цьому сприяє автоматизована система технологічної підготовки виробництва (АСТПВ), під якою розуміють будь-який автоматизований виробничий процес, яким керує комп'ютер. Найважливішими автоматизованими виробничими комплексами АСТПВ є: верстати з числовим програмним керуванням (ЧПК), верстати з міні-ЕОМ, програмно-керовані роботи, гнучкі виробничі системи.

Усі види інженерної діяльності, керованої комп'ютерами, об'єднані під назвою автоматизованої системи інженерного забезпечення (ACI3J, яка включає:

- планування процесу проектування з використанням комп'ютерного програмного забезпечення;

- системи автоматизованого проектування різального інструменту та процесу обробки;

- процедури автоматизованої системи керування виробництвом (АСКВ);

- процедури автоматизованої системи виробничого планування (АСВП);

- системи автоматизації проектування розміщення обладнання на виробництві, зокрема графічну імітацію робототехніки.

Цілковиту інтеграцію галузей АСІЗ разом з економічними й бухгалтерськими системами називають комп 'Іотерно інтегрованим виробництвом (КІВ). КІВ ще тільки починає розвиватися на основі комп'ютерної графіки і, як правило, функціонує під керуванням головних комп'ютерів із загальною базою даних.

Комп'ютерна графіка є обслуговуючою підсистемою САПР. Зараз різноманітна та багатопланова комп'ютерна графіка розглядається як важлива система, що обслуговує ряд автоматизованих систем: САПР, АСТПВ, систему наукових і технічних досліджень (АСНТД) тощо (рис. 24.1).Система комп'ютерної графіки складається з математичного, програмного, технічного та методичного забезпечення.

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.