Главная
Коллекция "Otherreferats"
Программирование, компьютеры и кибернетика
Инженерная компьютерная графика
Инженерная компьютерная графика
Чертежи и схемы как графические конструкторские документы и носители технической информации, требования к ним. Виды компьютерной графики, их характеристика. Использование компьютерной графики в работе инженера. Стандарты в области графических систем.
| Рубрика | Программирование, компьютеры и кибернетика |
| Вид | контрольная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 07.01.2018 |
| Размер файла | 220,1 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
29
Размещено на http://www.allbest.ru/
Министерство сельского хозяйства РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
"Смоленская государственная сельскохозяйственная академия"
Контрольная работа
Инженерная компьютерная графика
Выполнил: Ермачков А.С.
Проверил: Рековец А.В.
Смоленск 2018
Содержание
- Введение
- Модуль 1
- 1. Виды КГ
- Растровая графика
- Векторная графика
- Фрактальная графика
- Трёхмерная графика
- 2. Стандарты в области графических систем
- Классификация
- Модуль 2
- 1. Трехмерная графика
- 2. Виды пространств
- 3. Виды объектов
- Заключение
- Список литературы
Введение
Чертежи и схемы как графические конструкторские документы сопровождают инженера в процессе его работы. Они нужны ему при изучении конструкции изделия, при вводе в строй новой техники, в процессе обслуживания, эксплуатации и ремонта аппаратуры, при подготовке заявок на предполагаемое изобретение, при выполнении курсовых и дипломных проектов.
Особенность и сложность чертежей состоит в необходимости комплексного учета требований Единой системы конструкторской документации (ЕСКД) к содержанию и правилам выполнения этих графических документов. Условиями успешного овладения техническими знаниями являются умение читать чертежи и знание правил их выполнения и оформления. Чертеж является одним из главных носителей технической информации, без которой не обходится ни одно производство. В настоящее время нельзя представить себе работу и развитие большинства отраслей народного хозяйства, а также науки и техники без чертежей. На вновь создаваемые приборы, машины и сооружения сначала разрабатывают чертежи (проекты). По ним определяют их достоинства и недостатки, вносят изменения в конструкцию. Только после обсуждения чертежей (проектов) изготавливают опытные образцы изделия. Рабочие, инженеры и техники должны уметь читать чертеж, чтобы понять как саму конструкцию, так и работу изображенного изделия, а также изложить свои технические мысли, используя чертеж. Чертежи широко используются и в учебных заведениях при изучении теоретических, общетехнических и специальных предметов.
инженерная компьютерная графика конструкторский
Модуль 1
1. Виды КГ
Компьютерная графика - раздел информатики, который изучает средства и способы создания и обработки графических изображений при помощи компьютерной техники. Несмотря на то, что для работы с компьютерной графикой существует множество классов программного обеспечения, различают четыре вида компьютерной графики. Это растровая графика, векторная графика, трёхмерная и фрактальная графика. Они отличаются принципами формирования изображения при отображении на экране монитора или при печати на бумаге.
Растровую графику применяют при разработке электронных (мультимедийных) и полиграфических изданий. Иллюстрации, выполненные средствами растровой графики, редко создают вручную с помощью компьютерных программ. Чаще для этой цели используют отсканированные иллюстрации, подготовленные художником на бумаге, или фотографии. В последнее время для ввода растровых изображений в компьютер нашли широкое применение цифровые фото - и видеокамеры. Соответственно, большинство графических редакторов, предназначенных для работы с растровыми иллюстрациями, ориентированы не столько на создание изображений, сколько на их обработку. В Интернете применяют растровые иллюстрации в тех случаях, когда надо передать полную гамму оттенков цветного изображения.
Программные средства для работы с векторной графикой наоборот предназначены, в первую очередь, для создания иллюстраций и в меньшей степени для их обработки. Такие средства широко используют в рекламных агентствах, дизайнерских бюро, редакциях и издательствах. Оформительские работы, основанные на применении шрифтов и простейших геометрических элементов, решаются средствами векторной графики намного проще. Существуют примеры высокохудожественных произведений, созданных средствами векторной графики, но они скорее исключение, чем правило, поскольку художественная подготовка иллюстраций средствами векторной графики чрезвычайно сложна.
Трёхмерная графика широко используется в инженерном программировании, компьютерном моделировании физических объектов и процессов, в мультипликации, кинематографии и компьютерных играх.
Программные средства для работы с фрактальной графикой предназначены для автоматической генерации изображений путем математических расчетов. Создание фрактальной художественной композиции состоит не в рисовании или оформлении, а в программировании. Фрактальную графику редко применяют для создания печатных или электронных документов, но ее часто используют в развлекательных программах.
Растровая графика
Основным (наименьшим) элементом растрового изображения является точка. Если изображение экранное, то эта точка называется пикселом. Каждый пиксел растрового изображения имеет свойства: размещение и цвет. Чем больше количество пикселей и чем меньше их размеры, тем лучше выглядит изображение. Большие объемы данных - это основная проблема при использовании растровых изображений. Для активных работ с большеразмерными иллюстрациями типа журнальной полосы требуются компьютеры с исключительно большими размерами оперативной памяти (128 Мбайт и более). Разумеется, такие компьютеры должны иметь и высокопроизводительные процессоры. Второй недостаток растровых изображений связан с невозможностью их увеличения для рассмотрения деталей. Поскольку изображение состоит из точек, то увеличение изображения приводит только к тому, что эти точки становятся крупнее и напоминают мозаику. Никаких дополнительных деталей при увеличении растрового изображения рассмотреть не удается. Более того, увеличение точек растра визуально искажает иллюстрацию и делает её грубой. Этот эффект называется пикселизацией.
Векторная графика
Как в растровой графике основным элементом изображения является точка, так в векторной графике основным элементом изображения является линия (при этом не важно, прямая это линия или кривая). Разумеется, в растровой графике тоже существуют линии, но там они рассматриваются как комбинации точек. Для каждой точки линии в растровой графике отводится одна или несколько ячеек памяти (чем больше цветов могут иметь точки, тем больше ячеек им выделяется). Соответственно, чем длиннее растровая линия, тем больше памяти она занимает. В векторной графике объем памяти, занимаемый линией, не зависит от размеров линии, поскольку линия представляется в виде формулы, а точнее говоря, в виде нескольких параметров. Что бы мы ни делали с этой линией, меняются только ее параметры, хранящиеся в ячейках памяти. Количество же ячеек остается неизменным для любой линии.
Линия - это элементарный объект векторной графики. Все, что есть в векторной иллюстрации, состоит из линий. Простейшие объекты объединяются в более сложные, например объект четырехугольник можно рассматривать как четыре связанные линии, а объект куб еще более сложен: его можно рассматривать либо как двенадцать связанных линий, либо как шесть связанных четырехугольников. Из-за такого подхода векторную графику часто называют объектно-ориентированной графикой. Мы сказали, что объекты векторной графики хранятся в памяти в виде набора параметров, но не надо забывать и о том, что на экран все изображения все равно выводятся в виде точек (просто потому, что экран так устроен). Перед выводом на экран каждого объекта программа производит вычисления координат экранных точек в изображении объекта, поэтому векторную графику иногда называют вычисляемой графикой. Аналогичные вычисления производятся и при выводе объектов на принтер. Как и все объекты, линии имеют свойства. К этим свойствам относятся: форма линии, ее толщина, цвет, характер линии (сплошная, пунктирная и т.п.). Замкнутые линии имеют свойство заполнения. Внутренняя область замкнутого контура может быть заполнена цветом, текстурой, картой. Простейшая линия, если она не замкнута, имеет две вершины, которые называются узлами. Узлы тоже имеют свойства, от которых зависит, как выглядит вершина линии и как две линии сопрягаются между собой.
Фрактальная графика
Фрактал - это рисунок, который состоит из подобных между собой элементов. Существует большое количество графических изображений, которые являются фракталами: треугольник Серпинского, снежинка Коха, "дракон" Хартера-Хейтуея, множество Мандельброта. Построение фрактального рисунка осуществляется по какому-то алгоритму или путём автоматической генерации изображений при помощи вычислений по конкретным формулам. Изменения значений в алгоритмах или коэффициентов в формулах приводит к модификации этих изображений. Главным преимуществом фрактальной графики есть то, что в файле фрактального изображения сохраняются только алгоритмы и формулы.
Трёхмерная графика
Трёхмерная графика (3D-графика) изучает приёмы и методы создания объёмных моделей объектов, которые максимально соответствуют реальным. Такие объёмные изображения можно вращать и рассматривать со всех сторон. Для создания объёмных изображений используют разные графические фигуры и гладкие поверхности. При помощи их сначала создаётся каркас объекта, потом его поверхность покрывают материалами, визуально похожими на реальные. После этого делают осветление, гравитацию, свойства атмосферы и другие параметры пространства, в котором находиться объект. Для двигающихся объектом указывают траекторию движения, скорость.
2. Стандарты в области графических систем
Отправной точкой в работах по стандартизации графических средств следует считать 1976 год. Именно тогда во французском городе Сейлак собралось первое совещание по обсуждению графических стандартов. С этого момента графическими стандартами занимаются в различных национальных и международных организациях по стандартизации, связанных с использованием компьютеров: ISO, ANSI, NBS, DIN, ANFOR, ЕСМА и др. Кроме того, большое влияние на стандартизацию оказывают крупнейшие фирмы производители аппаратуры и программного обеспечения. С 1987 года деятельность по графическим стандартам возглавляет и координирует 24-й подкомитет первого объединенного технического комитета - ISO/IEC JTC1/SC24.
Эволюция графических стандартов естественно отражает процесс развития средств МГ - от векторной графики до систем виртуальной реальности. Перечислим проекты, оставившие наиболее заметный след в двадцатилетней истории графических стандартов:
Соге - Core Graphics System
GKS - Graphical Kernel System
MGKS - Minimal GKS
GKS-N - New Graphical Kernel System
CKS-3D - 3D Graphical Kernel System
PHIGS P - rogrammer's Hierarchical Interactive Graphics System
VDI - Virtual Device Interface
CGI - Computer Graphics Interface
PS - Adobe Systems PostScript Language
DPS - Adobe Systems Display Postscript System
NeWS - SUN Microsystems Network Extensible Window System
Х Window - MIT Х Window System
Windows - Microsoft Windows System
XGKS - Х+ GKS
РЕХ - PHIGS+ Х
OpenGL - SGI Graphical Language
Классификация
В основе разработки графических стандартов лежит принцип виртуальных ресурсов, позволяющий разделить графическую систему на несколько слоев - прикладной, базисный и аппаратно-зависимый. При этом каждый слой является виртуальным ресурсом для верхних слоев и может использовать возможности нижних слоев с помощью стандартизованных программных интерфейсов. Кроме того, графические системы могут обмениваться информацией с другими системами или подсистемами с помощью стандартизованных файлов или протоколов. В соответствии с этими соображениями первоначально были выделены три основных направления стандартизации - базисные графические системы, интерфейсы виртуального устройства, форматы обмена графическими данными.
Стандартизация базисных графических систем направлена на обеспечение мобильности прикладных программ и основана на концепции ядра, содержащего универсальный набор графических функций, общих для большинства применений.
Наиболее известными проектами по стандартизации базисных систем являются Core System, GKS, GKS-3D, PHIGS, PHIGS+. Основное направление развития этих проектов заключалось в усилении изобразительных возможностей для визуализации геометрических объектов (2D, 3D, удаление скрытых линий и граней, полутоновая закраска, текстурирование и пр.). Стандарт на базисную графическую систему включает в себя функциональное описание и спецификации графических функций для различных языков программирования.
Сл 6: Концепция виртуального устройства начала разрабатываться с момента появления аппаратно-независимых графических систем. Интерфейс виртуального устройства разделяет аппаратно-зависимую и аппаратно-независимую части графической системы. Он обеспечивает заменяемость графических устройств (терминальную независимость), а также возможность работы с несколькими устройствами одновременно. Интерфейс виртуального устройства может существовать в форме программного интерфейса и/или протокола взаимодействия двух частей графической системы. Наиболее четко концепция виртуального устройства представлена в проекте CGI.
Развитие этой концепции совпало с активным перемещением графических средств на персональные компьютеры и графические станции. При этом основными интерактивными устройствами стали растровые дисплеи, а устройствами для получения твердых копий - растровые принтеры. Это привело к необходимости выделения отдельного набора растровых функций, позволяющих использовать функциональные возможности растровых устройств.
Сл 7: Дальнейшее развитие растровых функций связано с появлением многооконных графических систем Х Window и MS Windows (а также NeWS и Display Postscript), обеспечивших удобные средства для манипулирования растровыми изображениями. Эти средства явились основой для развития систем обработки изображений и для организации эффективного многооконного пользовательского интерфейса с использованием меню, диалоговых панелей, полос просмотра и пр. Отметим, что традиционные средства вывода геометрических примитивов (линий, дуг, многоугольников) и текстов также имеются в этих системах.
Сегодня, наиболее развитые проекты РЕХ и OpenGL неплохо совмещают основные достижения как геометрического, так и растрового направления.
Сл 8: Графические системы класса 2D
GKS - стандарт ISO на базисную графическую систему. Впервые опубликован в 1982 году. Принят в качестве международного стандарта в 1985 году. Разработаны спецификации GKS для языков С, Fortran, Pascal, Ada. В соответствии или с учетом стандарта GKS разработано большое количество графических систем, например GKS-3D и PHIGS.
Функции управления обеспечивают работу с несколькими логическими рабочими станциями ввода/вывода. Одной из категорий рабочих станций является метафайл. Поддерживается таблица состояния системы, а также таблицы конфигурации и состояния рабочих станций. Имеется более 100 функций опроса возможностей и текущего состояния системы.
Функции вывода поддерживают шесть примитивов - ломаная линия, набор маркеров, заполненная область, текст, массив ячеек и обобщенный графический примитив. Более 30 функций управления атрибутами (линий, маркеров, заполнения и текста) обеспечивают индивидуальное изменение атрибутов и объединение их в группы, связанные с рабочими станциями. Преобразование координат двухступенчатое - нормализация и преобразование рабочей станции.
Поддерживается сегментация. Атрибуты сегментов - видимость, выделенность, приоритет, преобразование. Сегменты могут копироваться на рабочую станцию, удаляться, включаться в другие сегменты.
Растровые функции отсутствуют. Используемая цветовая модель - индексированная таблица RGB (Red-Green-Blue).
Функции ввода поддерживают логические устройства ввода координат, линий, чисел, текстовых строк, а также устройства выбора и указания. Устройства ввода могут работать в режимах запроса, опроса и обработки событий.
Сл 9: MGKS или MiniGKS - сокращенные варианты GKS без сегментации и с минимальным количеством функций опроса. Эти проекты прошли мимо внимания разработчиков стандартов, но были поддержаны многими разработчиками конкретных графических систем.
GKS-N или New GKS, проект обсуждавшийся в ISO (1989 год) направлен на улучшение функциональных характеристик GKS. Заметно явное влияние проекта CGI. Последующих публикаций не было.
Сл 10: PostScript (Adobe Systems, 1985) - язык описания страниц для растровых печатающих устройств. Отличительная особенность - широкие изобразительные возможности при минимальном наборе графических функций. Множество графических систем и настольных издательских систем поддерживают PostScript. Некоторые производители лазерных принтеров обеспечивают его аппаратную поддержку. PostScript использован для выполнения графических функций в многооконных системах NeWS и Display PostScript. Привлекательные свойства этого языка способствовали появлению его трехмерных расширений.
Широкие изобразительные возможности языка PostScript обеспечены понятием траектории (path), которая может быть составлена из линий, дуг, сегментов кривой Безье и текстовых символов. В процессе вывода траектории могут подвергаться произвольным линейным преобразованиям. Замкнутые траектории могут быть закрашены, заполнены растровым образцом (pixmap) или заштрихованы другими траекториями. Заполнение может производится по различным правилам (even-осЫ, nonzero-winding-number). Линии могут быть различного типа, переменной толщины и иметь скругления в точках соединения. Работа с текстами происходит на основе богатой библиотеки шрифтов. Поддерживается несколько цветовых моделей - RGB, CMY (CyanMagenta - Yellow) и HSV (Hue-Saturation-Value).
Сл 11: CGI - проект стандарта (ISO, 1986) на интерфейс виртуального устройства. На стадии обсуждения этот проект фигурировал в публикациях под названием VDI. CGI ориентирован не на прикладных, а на системных программистов, занимающихся разработкой графических систем. Функциональные возможности CGI сформированы с учетом разработанных ранее проектов GKS и CGM (Computer Graphics Metafile). Заметно влияние проектов PostScript и Х Window System.
Функции вывода поддерживают работу с линиями, многоугольниками, прямоугольниками, маркерами, текстами, дугами, секторами и сегментами круга и эллипса, а также замкнутыми фигурами, составленными из этих примитивов. Замкнутые объекты могут закрашиваться, заштриховываться или заполняться растровым образцом. Набор атрибутов CGI аналогичен набору атрибутов GKS. Конвейер преобразования ограничен преобразованием рабочей станции.
Функции сегментации аналогичны имеющимся в GKS.
Растровые функции поддерживают работу с отображаемыми и виртуальными битовыми картами. Первые являются частью видеопамяти устройства. Вторые могут быть полноцветными или двухцветными матрицами пикселов в неотображаемой памяти. Двухцветные виртуальные битовые карты могут служить в качестве маски для операции заполнения областей, а также для задания символов, маркеров, курсоров и пр. Атрибутами карт являются прозрачность, основной и фоновый цвет. Введены различные режимы наложения цветов при выводе пикселов (and, or, xor,.).
Функции ввода аналогичны имеющимся в GKS с некоторыми дополнениями. Введено понятие триггера, позволяющего установить режим срабатывания отдельных устройств в зависимости от некоторого события. Более четко, определены понятия подсказки, эха и подтверждения. Введены два новых логических устройства ввода - растровая область и обобщенное устройство ввода.
Сл 12: Х Window System - многооконная графическая система, разработанная в Массачусетском Технологическом институте. Первые публикации появились в 1986 году. Одна из основных целей разработки - обеспечение сетевой прозрачности и возможности использования широкого спектра цветных и монохромных графических станций.
Система разделена на две части, клиент и сервер, взаимодействующие с помощью Х-протокола. Прикладному программисту предоставлена библиотека базисных функций Х Lib и надстроенная над ней библиотека инструментальных средств Х Toolkit. Функции управления обеспечивают возможность манипулирования системой окон и контроля за действиями пользователя. Параметры графических функций включают в себя идентификаторы дисплея и окна, а также графический контекст, содержащий значения атрибутов и другие параметры отображения.
Функции вывода обеспечивают изображение точек, линий, дуг, окружностей, прямоугольников, а также заполнение многоугольников, секторов, сегментов и прямоугольников. Аналогично языку PostScript имеются атрибуты, определяющие способ скругления ломаных линий и правило заполнения. Функции вывода текстов поддерживаются богатой библиотекой шрифтов. Конвейер преобразования координат отсутствует.
Структуризация или сегментация данных не поддерживается.
Растровые функции обеспечивают широкие возможности для манипулирования с битовыми и пиксельными матрицами (Bitmap, Pixmap). Кроме того, пиксельные матрицы могут использоваться в качестве образца заполнения, а битовые - в качестве маски отсечения. Используемая цветовая модель - RGB.
Функции ввода на базисном уровне обеспечивают развитый механизм обработки событий, от мыши и клавиатуры. Функции более высокого уровня (Х Toolkit и библиотека виджетов) обеспечивают работу с меню, диалоговыми панелями, полосами просмотра и пр.
Сл 13: Microsoft Windows - многооконная надстройка над операционной системой MS DOS на IBM РС. Версия Windows NT трансформировалась в полноценную операционную систему. Обеспечивает многозадачный режим. Графические функции системы аналогичны имеющимся в Х Window, однако в параметрах функций нет идентификатора дисплея. Поддерживается метафайл.
NeWs (Sun Microsystems, 1987) и Display Postscript (Adobe Systems, 1990) - многооконные графические системы, в основе которых лежит PostScript. Обладают эффективными графическими возможностями, унаследованными от языка PostScript. В системе NeWS появились 3D траектории.
Сл 14: Графические системы класса 3D
Core System - первый проект (ANSI) по стандартизации базисной графической системы. Функциональное описание было опубликовано в 1977 году. На этот проект были замкнуты усилия многих разработчиков графических средств в течение последующих 5 лет. Построен на концепции рисующего элемента (2D и 3D) и обеспечивает работу только с линиями, маркерами и текстами. Для управлениями параметрами проектирования используется аналогия с камерой. Поддерживается сегментация. После появления стандартов GKS-3D и PHIGS проект Core System потерял свою актуальность.
Сл 15: GKS-3D - расширенный вариант GKS (ISO, 1987), позволяющий работать с трехмерными графическими объектами. В этот проект включены следующие дополнительные (по отношению к GKS) возможности:
Функции вывода дополнены семью 3D-примитивами - те же, что в GKS с приставкой 3D и набор заполняемых областей 3D. Для последнего примитива введены атрибуты контура, аналогичные атрибутам линий. Введен атрибут для управления алгоритмами удаления скрытых линий и граней. Введены 3D-преобразования 3D-нормализация, видовое преобразование, 3D-преобразование рабочей станции. Видовое преобразование позволяет производить параллельное и центральное проецирование.
Функции сегментации расширены возможностью работы с 3D-сегментами. Введено преобразование 3D-сегментов.
Функции ввода дополнены двумя логическими устройствами для ввода координат 3D и линий 3D.
XGKS, GEX - проекты объединения систем Х Window и GKS/GKS-3D. Обсуждались в литературе по стандартизации, но не получили дальнейшего развития.
Сл 16: PHIGS - альтернативный по отношению к GKS-3D стандарт (ANSI-1986, ISO-1989), обеспечивающий возможность интерактивных манипуляций с иерархически структурированными графическими объектами. Получил дальнейшее развитие в проектах PHIGS+ и РЕХ. Сравнительные с GKS-3D характеристики следующие:
Набор примитивов и атрибутов аналогичен имеющимся в GKS-3D. Поддерживается несколько цветовых моделей - RGB, CIE (Commission Internationale de l'Eclairage), HSV (Hue-Saturation-Value), HLS (Hue-Lightness-Saturation). Вместо 3D преобразования нормализации введено модельное преобразование.
Вместо сегментов введены иерархические структуры данных. Структуры могут включать в себя примитивы, атрибуты, преобразования, неграфические данные, а также ссылки на другие структуры. Средства редактирования позволяют удалять и копировать элементы структур. Включен механизм фильтрации, осуществляющий выборочное отображение элементов, их выделение и пр.
Сл 17: PHIGS+ (или PHIGS-PLUS) - проект расширения PHIGS (ISO/ANSI Draft 1990), направленный на обеспечение основных требований прикладных программ в области - освещения, полутоновой закраски и эффективного описания сложных поверхностей. Для этих целей в PHIGS+ включен следующий набор примитивов:
набор полилиний с данными,
кривая нерационального В-сплайна,
кривая нерационального В-сплайна с данными,
полигональная область с данными, набор полигональных областей с данными,
набор треугольников с данными,
полоса треугольников с данными, набор четырехугольных ячеек с данными,
поверхность нерационального В-сплайна,
поверхность нерационального В-сплайна с данными.
Примитивы, имеющие суффикс "с данными" позволяют включить дополнительную информацию, являющуюся частью определения примитива. Например, в случае набора треугольников для каждой грани и/или вершины можно задать комбинации цвета, нормаль и прикладные данные. Далее, существует механизм управления, позволяющий определить, какие данные следует использовать, а какие пропустить во время отображения. PHIGS+ различает переднюю и заднюю поверхности грани на основе геометрической нормали. Различные значения цвета и другие атрибуты могут быть определены для передней и задней граней. Для вычисления освещенности кроме геометрических характеристик задаются отражательные свойства поверхности, а также расположение источников цвета и их характеристики.
Сл18: РЕХ (MIT Х Consortium) - проект расширения системы Х Window для поддержки PHIGS+. Первоначальная версия XPHIGS 1.0 - 1987 год, последняя версия PEX 6.0 - 1992 год. Одна из двух систем (другая - OpenGL), обеспечивающих наиболее развитые на сегодняшний день инструментальные средства для построения реалистичных изображений. Суть проекта РЕХ состоит в описании механизма расширения Х-протокола и Х-сервера для обеспечения функций PHIGS+, что, в первую очередь, предназначено для системных программистов. С точки зрения прикладного программиста функциональные возможности РЕХ в части изображения пространственных объектов соответствуют системе PHIGS+. Однако, начиная с версии 5.2 в РЕХ появились новые возможности, обеспечивающие устранение ступенчатости (antialiasing) и текстурирование поверхностей. Средства работы с растровыми изображениями поддерживаются с помощью Х Window и дополнительных расширений.
Сл 19: OpenGL - стандарт, предложенный компанией Silicon Graphics в 1993 году, регламентирующий интерфейс прикладного программиста. Предшественником этого проекта является IRIS GL (SGI 1988 г.). Изначально ориентирован на работу в системе Х Window. О поддержке OpenGL сообщали почти все ведущие фирмы-производители, в частности ОС Windows NT имеет этот стандарт в своем комплекте. По функциональным возможностям OpenGL примерно соответствует системе РЕХ последних версий, но несколько отличается по стилю программирования. Кроме того, в отличие от РЕХ, имеет собственные развитые средства для работы с растровыми изображениями.
Модуль 2
1. Трехмерная графика
Трехмерная графика нашла широкое применение в таких областях, как научные расчеты, инженерное проектирование, компьютерное моделирование физических объектов.
Изображение плоской фигуры на чертеже не представляет большой сложности, так как двумерная геометрическая модель является подобием изображаемой фигуры, также являющейся двумерной.
Трехмерные геометрические объекты изображаются на чертеже в виде совокупности проекций на различные плоскости, что дает лишь приближенное условное представление об этих объектах как о пространственных фигурах. При необходимости отражения на чертеже каких-либо подробностей, деталей объекта необходимы дополнительные сечения, разрезы и т.п. Учитывая, что проектирование имеет, как правило, дело с пространственными объектами, то их изображение на чертеже не всегда представляется простым делом.
При конструировании объекта с помощью компьютера в последнее время развивается подход, основанный на создании трехмерных геометрических представлений - моделей.
Под геометрическим моделированием понимают создание моделей геометрических объектов, содержащих информацию о геометрии объекта. Под моделью геометрического объекта понимается совокупность сведений, однозначно определяющих его форму. Например, точка может быть представлена двумя (двумерная модель) или тремя (трехмерная модель) координатами; окружность - координатами центра и радиусом и т.д. Трехмерная геометрическая модель, сохраняемая в памяти компьютера, дает достаточно исчерпывающее (в меру необходимости) представление о моделируемом объекте. Такая модель называется виртуальной или цифровой.
При трехмерном моделировании чертеж играет вспомогательную роль, а способы его создания основаны на методах компьютерной графики, методах отображения пространственной модели. При таком подходе геометрическую модель объекта можно использовать не только для создания графического изображения, но и для расчета некоторых его характеристик, например, массы, объема, момента инерции и др., а также для прочностных, теплотехнических и других расчетов.
Технология трехмерного моделирования заключается в следующем:
проектирование и создание виртуального каркаса ("скелета") объекта, наиболее полно соответствующего его реальной форме;
проектирование и создание виртуальных материалов, по физическим свойствам визуализации похожим на реальные;
присвоение материалов различным частям поверхности объекта (проектирование текстуры на объект);
настройка физических параметров пространства, в котором будет действовать объект, - задать освещение, гравитацию, свойства атмосферы, свойства взаимодействующих объектов и поверхностей, задание траектории движения объектов;
расчет результирующей последовательности кадров;
наложение поверхностных эффектов на итоговый анимационный ролик.
Модель. Для изображения трехмерных объектов на экране монитора требуется проведение серии процессов (обычно называемых конвейером) с последующей трансляцией результата в двумерный вид. Первоначально объект представляется в виде набора точек, или координат, в трехмерном пространстве. Трехмерная система координат определяется тремя осями: горизонтальной, вертикальной и глубины, обычно называемых, соответственно, осями X, Y и Z. Объектом может быть дом, человек, машина, самолет или целый 3D мир и координаты определяют положение вершин (узловых точек), из которых состоит объект, в пространстве. Соединив вершины объекта линиями, мы получим каркасную модель, называемую так из-за того, что видимыми являются только края поверхностей трехмерного тела. Каркасная модель определяет области, составляющие поверхности объекта, которые могут быть заполнены цветом, текстурами и освещаться лучами света.
Разновидности 3D-графики. Существуют следующие разновидности 3D-графики: полигональная, аналитическая, фрактальная, сплайновая.
Полигональная графика является наиболее распространенной. Это объясняется прежде всего высокой скоростью ее обработки. Любой объект полигональной графики задается набором полигонов. Полигон - это плоский многоугольник. Простейшим вариантом являются треуголные полигоны, ибо, как известно, через любые три точки в пространстве можно провести плоскость. Каждый полигон задается набором точек. Точка задается тремя координатами - X, Y, Z. Таким образом можно задать 3-мерный объект как массив или структуру.
Аналитическая графика заключается в том, что объекты задаются аналитически, т.е. формулами. Например: шар радиуса r с центром в точке (x0, y0, z0) описывается формулой (x-x0) 2 + (y-y0) 2 + (z-z0) 2 = r2. Комбинируя различные формулы друг с другом, можно получить объекты сложной формы. Но вся сложность заключается в нахождении формулы требуемого объекта.
Другой способ создания аналитических объектов - это создание тел вращения. Так, вращая круг вокруг некоторой оси, можно получить тор, а вращая одновременно сильно вытянутый эллипс вокруг собственной и внешней осей, можно получить достаточно красивый рифленый тор.
Фрактальная графика основана на понятии фрактала - самоподобия. Объект называют самоподобным, когда увеличенные части объекта походят на сам объект и друг на друга. К "самоподобному" классу относится местность. Так зазубренный край сломанного камня похож на горный хребет на горизонте. Фрактальная графика, как и векторная, основана на математических вычислениях. Базовым элементом фрактальной графики является математическая формула, поэтому никаких объектов в памяти компьютера не хранится и изображение строится исключительно по уравнениям.
Таким образом строят как простейшие регулярные структуры, так и сложные иллюстрации, имитирующие природные ландшафты и трехмерные объекты. Алгоритмы фракталов могут создавать невероятные трехмерные изображения.
Сплайновая графика основана на понятии сплайна. Термин "сплайн" от английского spline. Так называется гибкая полоска стали, при помощи которой чертежники проводят через заданные точки плавные кривые. В былые времена подобный способ плавных обводов различных тел (корпус корабля, кузов автомобиля) был широко распространен в практике машиностроения. В результате форма тела задавалась при помощи набора очень точно изготовленных сечений-плазов. Появление компьютеров позволило перейти от этого, плазово-шаблонного, метода к более эффективному способу задания поверхности обтекаемого тела. В основе этого подхода к описанию поверхностей лежит использование сравнительно несложных формул, позволяющих воспроизводить облик изделия с необходимой точностью.
2. Виды пространств
В зависимости от задачи и этапа работы можно выбирать различные типы пространств и связанных с ними координатных систем.
Чаще всего программы трехмерного моделирования предоставляют следующие варианты пространств.
Пространство объекта - предназначено для моделирования (описания) формы объекта в его собственной (локальной) системе координат безотносительно того, где он будет размещен на сцене, как ориентирован или масштабирован. У каждого объекта существует своя собственная система координат.
Мировое пространство используется для размещения объектов на сцене, осуществления аффинных трансформаций (перемещения, поворота и масштабирования объектов), описания освещения сцены, вычисления столкновений между объектами при моделировании динамики их движения и т.п. Это единое пространство для всех объектов сцены.
o Видовое пространство ассоциировано с виртуальным наблюдателем (обычно камерой) или определенной проекцией сцены (например, фронтальным видом) и описывает ту часть сцены, которая доступна для просмотра и работы в видовом окне.
Экранное пространство - это пространство (плоскость), в котором отображаются аксонометрические или перспективные проекции объектов на плоскость поверхности монитора.
UVW - параметрическое пространство используется при математическом моделировании сложных кривых и поверхностей (например,NURBS-объектов) или для задания UVW-координат текстурирования поверхностей.
3. Виды объектов
В первом приближении все создаваемые трехмерные объекты можно разделить на геометрические и негеометрические.
Первые из них используются для моделирования объектов вещественного мира (персонажей, предметов).
Вторые же применяются для придания сцене реалистичности (например, правильного освещения), для моделирования физических сил, действующих на объекты (например, гравитации или порывов ветра).
Другими словами, геометрические объекты будут присутствовать в визуализированном кадре явно (как кривые или поверхности), а негеометрические - опосредствованно (в виде бликов, теней, ускорений).
Геометрические объекты. Сплайн - гладкая кривая, которая проходит через две или более контрольных точек, управляющих формой сплайна. Два из наиболее общих типов сплайнов - кривые Безье (Bezier curves) и В-сплайны (B - spline curves). Типичным примером сплайнов являются также неоднородные рациональныеB-сплайны (Non-UniformRational B - Spline - NURBS).
Сплайны состоят из вершин (vertices) и сегментов (segments).
Каждая вершина сплайна имеет касательные векторы (tangents), снабженные на концах управляющими точками, или маркерами (handels). Маркеры касательных векторов управляют кривизной сегментов сплайна при входе в вершину, которой принадлежат касательные векторы, и выходе из нее. В зависимости от свойств касательных векторов различают следующие типы вершин: С изломом
(Corner), Сглаженная (Smoos), Безье (Bezier) и Безье с изломом (Bezier Corner).
Сплайны могут служить заготовками для построения поверхностей или их можно использовать в качестве траектории движения.
Полигональные объекты - это полигональные примитивы, описываемые набором динамически изменяемых параметров (например, длин, радиусов), или полигональные сетки, определяемые как набор граней, ограниченных ребрами, попарно соединяющими вершины.
Polygon (многоугольник) - плоская фигура, ограниченная со всех сторон ломаной линией. Треугольники, то есть простые трехсторонние многоугольники формируют основу, каркас объектов в трехмерной среде.
Поверхности Безье - это математически гладкие поверхности, описываемые расположением вершин Безье. Эти вершины определяют их кривизну при помощи дополнительных управляющих точек на концах касательных к поверхности векторов.
NURBS-поверхности - это наиболее универсальный и эффективный способ моделирования неоднородных криволинейных поверхностей. Такие поверхности описываются в особом четырехмерном гомогенном (однородном) пространстве, в котором каждая управляющая вершина, кроме трех координат х, у иz, имеет еще и дополнительную весовую характеристику.
Составные объекты - представляют собой комбинацию двух или более смоделированных заранее заготовок. В зависимости от того, какое именно составное тело создается, заготовками могут служить кривые или объемы (поверхности).
Системы частиц - это объекты, генерирующие по заданному алгоритму частицы с определенной формой, начальной скоростью, сроком жизни и другими характеристиками. Такие анимационные объекты используются для моделирования дождя, пузырьков газа в жидкости, осколков взрывающихся снарядов и тому подобных образцов объективной реальности.
Динамические объекты - позволяют моделировать объекты, реагирующие на приложенные к ним внешние силы: пружины и амортизаторы. Используются при моделировании динамики движения объектов.
Негеометрические объекты. Источники света - используются при моделировании наружного и интерьерного освещения. Различные типы источников реализуют различные алгоритмы распространения света.
Камеры - позволяют полностью контролировать отображение объектов в плоскости кадра. Важнейшей характеристикой является фокусное расстояние объектива камеры, определяющее ее поле зрения. Оба этих параметра взаимосвязаны и измеряются в миллиметрах и градусах соответственно. Еще одной важной характеристикой камеры являются плоскости отсечения, ограничивающие видимую по глубине (расстоянию от наблюдателя) часть сцены.
Системы сочленений - это структуры, состоящие из иерархически связанных "костей", описывающих сложную кинематику движения моделируемого объекта (например, человека).
Искривители пространства - реализуют динамические воздействия внешних сил на объекты, это - своеобразные силовые поля, влияющие на определенные объекты. Примерами могут служить волновая деформация поверхности или ударная волна, разбрасывающая фрагменты объекта в пространстве.
Модуль
3
Заключение
На сегодняшний день практически во всех сферах человеческой деятельности - будь то инженерная и научная, бизнес и искусство - находит свое место компьютерная графика. Возрастающий потенциал компьютерно-вычислительной техники, усовершенствование возможностей программирования и расширение запросов пользователей предопределяет перспективы развития и актуальности использования компьютерной графики.
Использование компьютерной графики является высокооплачиваемым занятием, особенно в искусстве, кинематографе, мультипликации, компьютерных играх и т.п.
Глядя на прогресс цифровых средств работы с изображениями, можно смело сказать, что наша жизнь стала уже прочно и неразрывно связана с компьютерной графикой, делающей окружающий нас мир куда удобнее и много красивее.
Список литературы
1. Большаков, В.П. Инженерная и компьютерная графика: Учебное пособие / В.П. Большаков, В.Т. Тозик, А.В. Чагина. - СПб.: БХВ-Петербург, 2013. - 288 c.
2. Дегтярев, В.М. Инженерная и компьютерная графика: Учебник для учреждений высшего профессионального образования / В.М. Дегтярев. - М.: ИЦ Академия, 2011. - 240 c.
3. Емельянов, С.Г. Начертательная геометрия. Инженерная и компьютерная графика в задачах и примерах: Учебное пособие / П.Н. Учаев, С.Г. Емельянов, К.П. Учаева; Под общ. ред. проф.П.Н. Учаева. - Ст. Оскол: ТНТ, 2013. - 288 c.
4. Залогова, Л.А. Компьютерная графика. Элективный курс: Практикум / Л.А. Залогова. - М.: БИНОМ. ЛЗ, 2011. - 245 c.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Сферы применения машинной графики. Виды компьютерной графики. Цветовое разрешение и цветовые модели. Программное обеспечение для создания, просмотра и обработки графической информации. Графические возможности текстовых процессоров, графические редакторы.
контрольная работа [21,9 K], добавлен 07.06.2010Общая характеристика растровой, векторной и фрактальной компьютерной графики, преимущества и недостатки. Определение параметров технической реализуемости автоматизации ввода и оцифровки изобразительной информации. Оценка фотореалистичности изображения.
презентация [785,4 K], добавлен 26.07.2013Представление графических данных. Растровая, векторная и фрактальная виды компьютерной графики. Цвет и цветовые модели: метод кодирования цветовой информации для ее воспроизведения на экране монитора. Основные программы для обработки растровой графики.
реферат [429,7 K], добавлен 01.08.2010Понятие и виды компьютерной графики. Применение спецэффектов в кинематографе. История развития компьютерной графики. Изменение частоты киносъемки с помощью спецэффектов. Виды компьютерной графики как способ хранения изображения на плоскости монитора.
реферат [34,8 K], добавлен 16.01.2013Компьютерная графика как область информатики, занимающаяся проблемами получения различных изображений на компьютере. Области применения компьютерной графики. Двумерная графика: фрактальная, растровая и векторная. Особенности трёхмерной графики.
реферат [756,4 K], добавлен 05.12.2010История развития компьютерной графики. Возникновение компьютерной (машинной) графики: научной, деловой, конструкторской, иллюстративной, художественной и рекламной. Компьютерная анимация. Графика для Интернета. Векторная графика и художественные эффекты.
курсовая работа [692,0 K], добавлен 12.11.2014Виды и способы представления компьютерной информации в графическом виде. Отличительные особенности растровой и векторной графики. Масштабирование и сжатие изображений. Форматы графических файлов. Основные понятия трехмерной графики. Цветовые модели.
контрольная работа [343,5 K], добавлен 11.11.2010Методы и средства создания и обработки изображений с помощью программно-аппаратных вычислительных комплексов. Основные понятия компьютерной графики. Особенности применения растровой, векторной и фрактальной графики. Обзор форматов графических данных.
реферат [49,1 K], добавлен 24.01.2017Суть принципа точечной графики. Изображения в растровой графике, ее достоинства. Обзор наиболее известных редакторов векторной графики. Средства для работы с текстом. Программы фрактальной графики. Форматы графических файлов. Трехмерная графика (3D).
дипломная работа [764,7 K], добавлен 16.07.2011Ознакомление с понятием компьютерной графики. Области применения конструкторской и рекламной графики, компьютерной анимации. Рассмотрение преимущества графической визуализации бизнес-процессов. Особенности кольцевой, биржевой и лепестковой диаграмм.
реферат [94,6 K], добавлен 02.02.2016
