Введение в компьютерную графику

Введение в компьютерную графику

Компьютерная графика

автоматизация процессов подготовки, преобразования, хранения и воспроизведения графической информации с помощью компьютера; способ создания графических изображений и визуальной информации с помощью специальных программ.

Задачи компьютерной графики

Визуализация

Обработка изображений

Распознавание изображений

Визуализация

Изображение

Модель

создание изображения на основе описания (модели) некоторого объекта.

Примеры визуализации:

• график функции;
• диаграмма;
• схема;
• карта;
• имитация трехмерной реальности и т.д.

Обработка изображений

Изображение

Изображение

это преобразование изображений, т.е. входными данными является изображение и результат – тоже изображение

Примеры обработки:

• повышение контраста;
• повышение четкости;
• коррекция цветов;
• сглаживание;
• уменьшение шумов и т.д.

Распознавание изображений

Модель

Изображение

получение описания изображенных объектов.

Примеры обработки:

• выделение отдельных элементов (например, букв текста на изображении документа или условных знаков на изображении карты);
• классификация изображения в целом (например, проверка, изображен ли определенный объект, или установление персоны по отпечаткам пальцев)

История компьютерной графики

1940-е года

время больших компьютеров (эра до персональных компьютеров). Графикой занимались только при выводе на принтер. В этот период заложены математические основы.

Пользователь не имел доступа к монитору, графика развивалась на математическом уровне и выводилась в виде текста, напоминающего на большом расстоянии изображение.

История компьютерной графики

1950-е года

Началом эры компьютерной графики можно считать декабрь 1951 года , когда в Массачусетском технологическом институте (МТИ) для системы противовоздушной обороны военно-морского флота США был разработан первый дисплей для компьютера « Вихрь » (Whirl). Изобретателем этого дисплея был Джей Форрестер , работавший инженером в МТИ.

Проект Whirlwind I использовал векторную графику для отображения изображений на экране

История компьютерной графики

1950-е года

В 1952 году появилась первая наглядная компьютерная игра - OXO, или крестики-нолики, разработанная Александром Дугласом (Alexander Douglas) для компьютера EDSAC в рамках кандидатской диссертации как пример взаимодействия человека с машиной. 

Ввод данных осуществлялся дисковым номеронабирателем, выводился матричной электронно-лучевой трубкой.

История компьютерной графики

1950-е года

В 1955 году родилось световое перо. На входе находится фотоэлемент, испускающий электронные импульсы и одновременно реагирующий на пиковое свечение, связанный с моментом прохода принадлежащего луча. Достаточно синхронизировать импульс с положением электронной пушки, чтобы определить именно то, что вызывает перо. Световые перья вовсю наблюдают в вычислительных терминалах образца 1960-х годов.

История компьютерной графики

1960-е года

Одним из отцов-основателей компьютерной графики считается Айвен Сазерленд , который впервые в 1962 году все в том же МТИ создал программу компьютерной графики под названием «Блокнот» (Sketchpad). Эта программа могла рисовать достаточно простые фигуры (точки, прямые, дуги окружностей), могла вращать фигуры на экране.

После этой программы некоторые крупные фирмы, такие, как General Motors, General Electric, приступили к разработкам в области компьютерной графики.

История компьютерной графики

1960-е года

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

История компьютерной графики

1960-е года

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.

История компьютерной графики

1970-е года

Появились персональные компьютеры, т.е. появился доступ пользователя к дисплеям. Роль графики резко возросла, но наблюдалось очень низкое быстродействие компьютера. Программы писались на ассемблере. Появилось цветное изображение (256).

История компьютерной графики

1970-е года

В 1972 году Буй Фонг, Роберт Макдермотт, Джеймс Кларк и Рафаэль Ром совместными усилиями под руководством Айвена Сазерленда создали сгенерированное компьютерной графикой трехмерное изображение, которое впервые в истории выглядело точно так же, как его физический оригинал, — "Фольксваген-жук" (Volkswagen Beetle).

История компьютерной графики

1970-е года

В 1972 году Эд Кэтмелл совместно с Фредом Парком в рамках последипломного курса в Университете Юты подготовил компьютерный видеоролик, демонстрирующий цифровую объемную модель левой руки.

Видеоряд, в котором ладонь вращается, сгибает пальцы, указывает на зрителя и, наконец, погружает вовнутрь, стал одним из первых примеров в истории трехмерной компьютерной анимации.

История компьютерной графики

1980-е года

В 1982 году на экраны кинотеатров вышел кинофильм «Трон» в котором использовались кадры, синтезированные на компьютере.

В 1984 году компания Apple выпустила первый Macintosh, который серийно поставлялся с цветным монитором. Его операционная система обладала наглядным, визуальным интерфейсом, а его мощности было достаточно для обработки графических изображений.

Именно поэтому Macintosh сразу заслужил внимание множества профессиональных художников и дизайнеров, которые поменяли карандаш и кисть на мышь и клавиатуру.

История компьютерной графики

1990-2000-е года

Появление графики Virtual Reality . Появились датчики перемещения, благодаря которым компьютер меняет изображения при помощи сигналов посылаемых на него. Появление стереоочков (монитор на каждый глаз), благодаря высокому быстродействию которых, производится имитация реального мира. Замедление развития этой технологии из-за опасения медиков, т.к. благодаря Virtual Reality можно очень сильно нарушить психику человека, благодаря мощному воздействию цвета на неё.

Области применения компьютерной графики

• Дизайн — баннеры, обои для экранов, лендинги, сайты и т.д.;
• Анимация и игровая индустрия — ролики, фантазийные миры и персонажи;
• Полиграфия и реклама — от буклетов до огромных 3D-проекций;
• Киноиндустрия — спецэффекты;
• Промышленность — 3D-моделирование;
• Архитектура — визуализация проектов и создание рендеров;
• Живопись — цифровые картины;
• Медицина — обучающие симуляторы, например стоматологический VirTeaSy для создания имплантов и протезов с помощью 3D-технологий;
• Образование и культура — симуляторы и проекты дополненной реальности, например Google Arts&Culture.

Растровая графика

Растровая компьютерная графика, или «растр» состоит из множества квадратов — пикселей. Такое изображение невозможно увеличить без потери качества: оно начинает видоизменяться, проявляются неровные края и отдельные пиксели.

Растровую графику используют, когда нужно нарисовать, например, большую и красочную иллюстрацию для сайта: момент коммуникации с целевой аудиторией играет здесь важную роль.

Векторная графика

Векторная компьютерная графика состоит из опорных точек и соединяющих их кривых: такие изображения можно масштабировать без потери качества. Векторные изображения используют для создания инфографики, иконок и других элементов интерфейса, логотипов, персонажей фирменного стиля, лендингов, сайтов и приложений. Вектор, по сравнению с растром, более информативен.

Поскольку качество векторных изображений не зависит от разрешения, их используют на больших форматах: билбордах, автобусах, баннерах, растяжках и т. д.

Сравнение растровой и векторн6ой графики

Растровая графика

Формирование изображения

Векторная графика

Совокупность точек

Увеличение размера

Ступенчатый объект

Уменьшение размера

Опорные точки и линии

Не изменяется

Потеря четкости

Сохранение изображения

Информация о цвете каждого пикселя

Не изменяется

Сферы применения

Информация о простейших геометрических объектах

Иллюстрации, фотографии

Чертежи, схемы, деловая графика, дизайн, полиграфия

Фрактальная графика

Фрактальная графика связывает искусство и математику, это результат работы математических алгоритмов. Простейший пример фрактальной графики — калейдоскоп: механизм проектирует некий рисунок, выстраивая его без участия человека.

Фрактал — это бесконечно воспроизводимая самоподобная структура. В отличие от паттерна — бесконечно повторяемого рисунка, полностью предсказать внешний вид фрактала при его создании невозможно.

Трёхмерная графика

3D-графика передаёт ощущение объёма.

Когда дизайнер рисует картинку в 2D, он использует две оси: высоту и ширину. В трёхмерной графике к ним добавляется третья ось — глубина. Каждая точка имеет свои координаты на каждой из трёх осей.

Трёхмерная графика применяется в различных индустриях: от архитектуры до медицинской промышленности. В дизайне 3D-графика активно используется в сферах геймдева, брендинга, айдентики, дизайна сайтов и мобильных приложений: например, при создании иллюстраций, иконок и логотипов.

Форматы графических файлов

TIFF

PSD

JPEG

GIF

PNG

WMF

EPS

PDF

BMP

CDR