Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Информатика arrow Базовые и прикладные информационные технологии

Основы компьютерной графики

Компьютерная графика или машинная графика — область деятельности, в которой компьютеры используются как инструмент для создания (синтеза) изображений, так и для обработки реальной визуальной информации.

Графический режим построения изображений на экране осуществляет видеоадаптер, управляющий работой дисплея и видеопамятью, в которой запоминается текущее изображение. Адаптер обеспечивает регулярное отображение видеопамяти на экране дисплея.

Большинство языков программирования имеют свои графические библиотеки (например, ТурбоПаскаль — Graph.tpu, Бейсик — графические встроенные команды). Графические редакторы, издательские системы и др. имеют удобный интерфейс для построения от простейших рисунков до мультипликационных (анимационных) роликов.

Построение компьютерных изображений требуют геометрической грамотности и интуиции, конструкторских и изобразительных навыков. Необходимо ориентироваться в следующих понятиях:

  • композиция — строение, соотношение и взаимное расположение частей, сосредоточие идейно-творческого начала, позволяющего автору целенаправленно организовывать главное и второстепенное и добиваться максимальной выразительности содержания и формы в их образном единстве. Законы композиции: цельности; контрастов. Правила композиции: передача ритма; композиционный центр;
  • мера — характеризует общие принципы строения, целостность предмета, лежит в основе ритма, гармонии, ансамбля в архитектуре;
  • симметрия — одинаковость в расположении частей чего-нибудь по противоположным сторонам от точки, прямой или плоскости. Симметрия в композиции создается уравновешенностью ее частей по массам, тону, цвету и форме. Симметрия (геометрическая) — свойство геометрических фигур, при котором каждая пара соответственных точек лежит на одном перпендикуляре к данной плоскости по разные стороны и на одинаковом расстоянии от нее;
  • пропорция — определенное соотношение частей между собой, соразмерность;
  • ритм — равномерное чередование каких-нибудь элементов;
  • гармония — соразмерность частей, слияние различных компонентов объекта в единое органичное целое. В эстетике гармония — существенная характеристика прекрасного;
  • перспектива — способ изображать на плоскости трехмерное пространство в соответствии с тем кажущимся изменением величины, очертаний, четкости предметов, которое обусловлено степенью отдаленности их от точки наблюдения.
  • 2D- и ЗИ-графика. Компьютерная графика классифицируется по типу представления графической информации и следующими из него алгоритмами обработки изображений. 2D — двумерная графика (два измерения); 3D — трехмерная графика (три измерения). Компьютерная графика применяется для создания изображений на плоскости экрана или листа печатной продукции.

В режиме 2D можно разместить больше текстовой информации, так как объем уменьшает размер рабочей области. Поэтому Word и Excel будут лучше работать в 2D. Пока еще не разработаны подходы, дающие новые возможности работы с текстом в режиме 3D, а кроме того, у человека не развиты навыки работы с текстом в других форматах.

В режиме 2D для создания иллюзии пространства и соотношения размещения объектов используются принципы перспективы (удаленные объекты меньшего размера по сравнению с близкими; тени; сходящиеся к горизонту линии и др.), которые, однако, не всегда могут дать точную информацию об объектах.

По технологии 3D можно создать объемное, трехмерное изображение. Она дает преимущества при построении трехмерных графиков, геоинформации и больших диаграмм; позволяет создавать новые изобразительные формы, эффективно осуществлять восприятие сложных, нелинейных форм. Наиболее наглядна визуализация результатов исследований в виде 3D-графиков сложной структуры поверхности. Эта технология имеет преимущества соотношения размеров объектов (перспективы): в 3D требуется меньше данных для соотношения размеров объектов, чем в 2D, и человек сразу улавливает их реальные размеры и расположение в пространстве.

Технология 3D оказывает влияние на вестибулярный аппарат зрителя: при правильном построении сцены можно достигнуть эффектов дезориентации зрителя в пространстве, а именно падений, головокружительных гонок и т. д. В режиме 2D таких эффектов достигнуть сложно. Например, если смотреть на ЗО-модель комнаты на большом экране и, резко повернуться, комната опрокидывается на бок, можно упасть.

Есть возможность объединить реальность и виртуальную графику. Все ЗО-объекты на экране видятся пространственными. Если перед зрителями расставлены реальные объекты, то ЗО-изображение, «вылетающее» из экрана, будет буквально между ними. Особенно это заметно в 3D-кинотеатре. Если правильно рассчитать расположение реальных объектов и виртуальных объектов, то можно получить псевдо смешанную реальность.

3D позволяет создавать новое, хотя еще нет отработанных схем и недостаточно стандартных эффектов, но есть возможность осуществлять неожиданные решения.

Программные пакеты трехмерной графики очень разнообразны. Лидируют в этой области такие коммерческие продукты, как 3D Studio Max, Maya, Lightwave 3D, Softimage, Sidefx Houdini, Maxon Cinema 4D и сравнительно новые — Rhinoceros 3D, Nevercenter Silo или ZBrush. Кроме того, существуют и открытые продукты, распространяемые свободно, например пакет Blender (с его помощью создаются 3 D-модели с последующим рендерингом (компьютерной визуализацией)), K-3D и Wings3D.

Бесплатная программа SketchUp позволяет создавать модели, совместимые с географическими ландшафтами ресурса Google Планета Земля, а также просматривать в интерактивном режиме на компьютере пользователя несколько тысяч архитектурных моделей, выложенных на бесплатном постоянно пополняемом ресурсе Google Cities in Development (Выдающиеся здания мира).

Трехмерная графика обычно имеет дело с виртуальным, воображаемым трехмерным пространством, которое отображается на плоской, двухмерной поверхности дисплея или листа бумаги. В настоящее время известно несколько способов отображения трехмерной информации в объемном виде, хотя большинство из них представляют объемные характеристики весьма условно, поскольку работают со стереоизображением. В этой области можно отметить стереоочки, виртуальные шлемы, ЗО-дисплеи, способные демонстрировать трехмерное изображение. Однако чтобы увидеть объемную картинку, зрителю необходимо расположиться строго по центру. Решение по преодолению этого недостатка уже созрело в научных лабораториях. Так, Германский институт Фраунгофера демонстрировал 3 D-дисплей, при помощи двух камер отслеживающий положение глаз зрителя и соответствующим образом подстраивающий изображение. Теперь отслеживается положение не только глаз, но и пальца, которым можно «нажимать» трехмерные кнопки. А исследователи Токийского университета создали систему, позволяющую почувствовать изображение: излучатель фокусируется на точке, где находится палец человека и в зависимости от его положения меняет силу акустического давления. Таким образом, становится возможным не только видеть объемную картинку, но и взаимодействовать с изображенными на ней предметам.

Выделяют два принципа моделирования графических объектов на экране дисплея: случайный и детерминированный. На их основе строятся технологии изобразительной графики, имеющей три направления: художественное, иллюстративное и демонстрационное.

Объекты художественной графики — различные узоры (самые простые — бордюры, орнаменты; паркеты — разбиение плоскости на непересекающиеся многоугольники; шрифты и другие изображения).

Объекты иллюстративной графики — схемы, эскизы, географические карты, чертежи и др.— создаются сочетанием случайного и упорядоченного в любой пропорции; могут быть представлены в демонстрационной, динамической форме.

Объекты демонстрационной графики — динамические объекты. В технологии их использования выделяют три способа: рисование-стирание, смену кадров (страниц), динамические образы.

Для компьютерного моделирования графического объекта следует выбрать подходящее программное инструментальное средство — графический редактор (например, Paint, CorelDraw и т. д.). Иногда полезно осуществить построение графического образа программированием с использованием графических библиотек.

Деловая графика — отображение данных экономических расчетов (расчетных и статистических) в виде схем, диаграмм, гистограмм, графиков:

  • • гистограмма — группа столбцов, пропорциональных по высоте определенным числовым значениям;
  • • круговая гистограмма — сектора круга, углы которых пропорциональны элементам данных;
  • • круговая диаграмма — представление относительных величин объектов, которым на изображении сопоставляются размеры и расположение кругов в прямоугольной системе координат;
  • • временная диаграмма — последовательность операций или процессов определенной длительности (измерение динамических процессов);
  • • линейный график — отображение исходных величин в виде точек, соединенных отрезками прямых линий;
  • • структурная схема — представление сложных объектов в виде дерева или графа.

Инженерная графика — компьютеризация чертежных и конструкторских работ с помощью систем автоматизации проектных работ САПР (AutoCad, TFlex и др.), представляющих собой аппаратно-программный комплекс, поддерживающий процесс проектирования с использованием специальных средств машинной графики. Используется в архитектуре, строительстве, картографии, медицине, геофизике, разработке моделей одежды, издательском деле, рекламе и т. д. Например, система AutoCad имеет следующие возможности:

  • • развитую систему экранных меню;
  • • высокую точность графической информации;
  • • разбивку информации (расслоение);
  • • прочерчивание на экране координатной сетки;
  • • средство захвата графических объектов;
  • • мощное редактирование;
  • • отображение параметров графических характеристик;
  • • полуавтоматическую и автоматическую установку размеров;
  • • штриховку;
  • • работу с блоками.

Научная графика — средства формирования научной документации, имитационного, аналитического, геометрического и координатного моделирования.

Существует много графических редакторов — программ для работы с графикой.

Растровые редакторы могут быть двух видов: только для рисования (Paint, Painter) и для обработки растровых изображений (Adobe Photoshop, Photos Tyler, Picture Publisher, Corel Painter, Gimp, Jasc Paint Shop, Pro Premiu, Corel PrintHouse и др).

Среди программ, предназначенных для создания компьютерной двухмерной живописи, самыми популярными считаются Painter компании Fractal Design, FreeHand компании Macromedia и Fauve Matisse. Пакет Painter обладает достаточно широким спектром средств рисования и работы с цветом. Он моделирует различные инструменты (кисти, карандаш, перо, уголь, аэрограф и др.), позволяет имитировать материалы (акварель, масло, тушь), позволяет добиться эффекта натуральной среды. Последние версии программы FreeHand обладают богатыми средствами редактирования изображений и текста, содержат библиотеку спецэффектов и набор инструментов для работы с цветом, в том числе средства многоцветной градиентной заливки. Программа для создания изображений на платформе Macintosh — пакет для редактирования растровой живописи и изображений PixelPaintPro компании Pixel Resources.

Среди программ компьютерной живописи для графических станций Silicon Graphics (SGI) особое место занимает пакет StudioPaint 3D компании Alias Wave front, который позволяет рисовать различными инструментами («кистями») в режиме реального времени прямо на трехмерных моделях. Пакет работает с неограниченным количеством слоев изображения и предоставляет 30 уровней отмены предыдущего действия (undo), включает операции цветокоррекции и «сплайновые кисти», мазок которых можно редактировать по точкам как сплайновую кривую. StudioPaint 3D поддерживает планшет с чувствительным пером, что дает возможность художнику сделать традиционный эскиз от руки, а затем перенести рисунок в трехмерные пакеты для моделирования или анимации и построить по эскизу трехмерную модель.

При создании художественных композиций отдельные фрагменты берут из библиотек (Clip Art).

Существует особый класс программ «катализаторы», позволяющих просматривать графические файлы (множество форматов), создавать на диске альбомы, перемещать и переименовывать файлы, документировать и иллюстрировать издания.

Программный пакет Adobe Photoshop, на сегодняшний день являющийся стандартом компьютерной графики, предназначен для обработки растровой графики. В нем улучшен контроль над цветом, параметрами изображения, оттенками и прочими деталями. Изначально программа была разработана для редактирования изображений при подготовке к печати, но она все чаще используется для создания изображений во «всемирной паутине».

Главные элементы управления программы сосредоточены в строке меню, панели инструментов и панели свойств. Особую группу составляют диалоговые окна — инструментальные палитры. Функции пакета программ позволяют создавать и редактировать очень качественные иллюстрации.

Corel Painter — мощнейший в мире редактор для рисования и создания иллюстраций, предлагающий своим пользователям уникальные электронные кисти, а также средства имитации материалов и текстур, полностью повторяющих вид и свойства своих природных аналогов.

GIMP — редактор, в котором вместо привычного окна программы с обширным главным меню и линейкой инструментов имеется миниатюрное сосредоточение кнопок. Но стоит только открыть какое-либо изображение, как ситуация более-менее проясняется: документы открываются в независимых окнах, в которых уже присутствует главное меню. GIMP может использоваться как редактор для рисования и как инструмент для обработки фотографий. Он включает в себя более 200 расширений. Все инструменты рисования гибко настраиваются. Работа с текстом идет с помощью стандартного набора инструментов. Рисунки художественных эмблем делаются с помощью специальных сценариев.

Создание анимации — работа с кадрами анимации как с отдельными слоями изображения. Можно преобразовывать изображения: вращать, масштабировать, наклонять и отражать. GIMP позволяет создавать новые инструменты на основе группы фильтров. При работе с экспозицией есть автоматический режим, позволяющий улучшать изображения одним щелчком.

К аппаратным средствам получения цифровых растровых оригиналов в основном относятся сканеры и цифровые фотокамеры. Другие устройства, например цифровые видеокамеры, адаптеры захвата телевизионных кадров, в компьютерной графике чаще играют вспомогательную роль. Для создания изображений «от руки» предназначены графические планшеты, на которых рисуют специальным электронным пером.

Векторные редакторы: Adobe Illustrator, Corel Draw, Macromedia Freehand — работают с одними и теми же векторными графиками, имеют схожие инструменты.

Векторизаторы (трассировщики) — специализированные пакеты преобразования растровых изображений в векторные (например, Adobe StreamLine, Corel Trace).

Adobe Illustrator — программа, являющаяся общепризнанным мировым лидером среди средств работы с векторной графикой. Ее достоинство в том, что вместе с Photoshop и настольной издательской системой Page Maker она образует трио для создания изображений достаточных для верстки полиграфических изданий. Эти приложения выполнены в едином стиле, с похожим интерфейсом и инструментами, позволяющими применять одинаковые приемы и навыки, экспортируют и импортируют созданные объекты между собой.

Macromedia Freehand с простым и дружественным интерфейсом служит удобным инструментом работы для начинающих. Программа отличается небольшим размером и хорошим быстродействием. Нетребовательность к аппаратным ресурсам позволяет работать на компьютерах среднего уровня. Инструментальные средства программы достаточны для разработки сложных документов. Пакет специально адаптирован для совместной работы с программой компьютерной верстки QyarkXPress.

CorelDraw исторически, особенно в России, считается основным пакетом создания и обработки векторной графики на платформе Windows. К его преимуществам относятся развитая система управления и обширные средства настройки параметров инструментов. По возможностям создания самых сложных художественных композиций CorelDraw превосходит конкурентов. Однако интерфейс программы считается непростым для освоения. Corel Draw — это развитая система управления, богатые средства настройки инструментов, наиболее сложные композиции, близкие к художественным произведениям.

Трассировщик Adobe StreamLine по праву занимает ведущее место в своем классе программ. Имеются более мощные пакеты, ориентированные на обработку чертежей, но они очень требовательны к аппаратным ресурсам, да и по стоимости много дороже. StreamLine позволяет проводить тонкую настройку параметров векторизации, что улучшает ее точность. Более всего векторизация удобна для преобразования чертежей, черно-белых рисунков и другой простой графики без полутонов. Полутоновые и цветные изображения обрабатываются хуже, и для приближения к оригиналу требует значительной доработки.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 1. Создание многослойного рисунка в векторном редакторе Word и растровом редакторе Paint

Для получения практических навыков рисования в векторном редакторе Word и растровом редакторе Paint, ознакомления с методикой создания и редактирования многослойных изображений на экране рекомендуется выполнить следующую работу.

Содержание работы:

  • 1. Изучить правила создания:
    • • рисунков в векторном встроенном редакторе MS Word;
    • • изображений в растровом графическом редакторе Paint;
    • • совмещенного многослойного изображения.
  • 2. Изучить все инструменты панели Фигуры встроенного графического редактора в MS Word.
  • 3. Изучить инструменты рисования растрового редактора Paint.
  • 4. Выполнить:
    • • создание сгруппированного рисунка с помощью инструментов панели Фигуры в MS Word;
    • • создание и редактирование рисунка и надписи в редакторе Paint;
    • • сохранение изображения в графическом файле с расширением .bmp, а затем копирование его в ранее созданный с помощью текстового редактора файл;
    • • создание совмещенного многослойного рисунка с помощью инструментов MS Word и редактора Paint.

Методические указания:

  • 1. Для создания рисунка в векторном встроенном редакторе MS Word 2007 следует выбрать последовательно Вставка —» Иллюстрации —> Рисунок. В появившейся библиотеке изображений щелкнуть на объекте, откуда будет выбран рисунок. В этой же группе можно создать собственные векторные рисунки, воспользовавшись кнопкой Фигуры, а затем выполнить следующие действия:
    • • создать с помощью элементов диалогового окна, открывающегося после щелчка по кнопке Фигуры, рисунок, используя новое полотно, линии, основные фигуры, фигурные стрелки, выноски, надписи и т.п;
    • • объединить элементы рисунка, выделив их (нажав клавишу Shift+щелчок мыши) и сгруппировав командами Разметка страни - цы —> Упорядочить —> Группировать (например, рис. 2.25);
    • • чтобы убедиться, что все элементы рисунка сгруппированы, нужно его переместить.
Векторный рисунок

Рис. 2.25. Векторный рисунок

2. С помощью растрового графического редактора Paint, работающего под управлением ОС Windows ХР, можно создавать и редактировать рисунок. Растровый рисунок — это мозаика из точек (пикселей), окрашенных в тот или иной цвет. Изображения редактируют и сохраняют в графических файлах растрового формата (с расширением .bmp или .рсх).

Для запуска Paint следует последовательно щелкнуть мышью на пунктах меню Пуск: Программы —> Стандартные —» Paint. На экране появится окно редактора с рабочим полем размеченным сеткой для рисования. Вкладка верхнего меню Главная содержит группы: Буфер обмена, Изображение, Инструменты, Кисти, Фигуры, Толщина, Цвета. Вкладка верхнего меню Вид содержит группы: Масштаб, Показать или скрыть и Показать. Кроме того имеется вкладка со стандартными функциями (открыть, закрыть, сохранить и др.).

Рассмотрим функции вкладки Главная.

Группа Изображение содержит кнопки с функциями Выделить (выделение прямоугольной, произвольной области и др.), Обрезать, Изменить размер, Повернуть.

В группе Инструменты имеется панель инструментов, где каждый инструмент обозначен небольшой пиктограммой (значком). Щелчком мыши на пиктограмме, можно активизировать выбранный инструмент:

  • • карандаш — курсор превращается в «настоящий карандаш». Нажав левую клавишу мыши, рисуют произвольные фигуры линиями толщиной в один пиксель, в основном цвете. Нажав правую клавишу мыши, можно рисовать в цвете фона;
  • • заливка цветом — указатель превращается в копию кнопки Заливка. Если кончик «льющейся струи краски» расположить в замкнутой области и щелкнуть левой клавишей мыши, то область закрасится основным цветом, если правой — цветом фона;
  • • текст — позволяет вводить тексты в поле рисунка. Выбрав этот инструмент и нажав левую клавишу мыши, рисуют текстовую рамку. Щелкнув мышью внутри рамки, набирают текст. В верхнем меню появляется пункт Текст. Активизируют его. Появляются пиктограммы: Буфер обмена, Шрифт, Фон, Цвета. Выбирают нужный шрифт, его размер и стиль. Цвет текста устанавливают с помощью дополнительного табло;
  • • ластик — указатель мыши превращается в квадратный ластик. Нажав левую клавишу мыши и перемещая ластик, можно закрасить поверхность цветом фона. Если цвет фона белый, то ластик просто стирает участки рисунка;
  • • палитра — выбор на изображении цвета для рисования. Указатель мыши превращается в «пипетку». Следует указать «пипеткой» на объект, цвет которого нужно скопировать, и нажать левую клавишу мыши. Произойдет копирование выбранного цвета в основной цвет (при этом в смещенных относительно друг друга прямоугольниках верхний окрасится скопированным цветом). Если необходимо скопировать цвет фона или ластика, то следует нажать правую клавишу мыши;
  • • масштаб — с помощью этого инструмента можно увеличивать или уменьшать части изображения в несколько раз.

В группе Кисти указатель мыши превращается в «крестик». Им рисуют фигуры так же, как и карандашом. Кисть позволяет выбрать ее форму (толщину, форму «мазка»). Форма выбирается с помощью дополнительного табло кистей.

В группе Фигуры из дополнительного табло выбирают форму фигуры: линия — указатель мыши превращается в «крестик». Им проводят прямые линии; кривая — указателем мыши рисуют прямую линию, а затем «потянув» в любом месте в нужном направлении, можно изогнуть ее в дугу любого вида; другие геометрические фигуры (прямоугольник, многоугольник, эллипс, скругленный прямоугольник) — перемещая курсор, рисуют перечисленные фигуры. Они могут быть как неокрашенными (иметь основной цвет), так и окрашенными. Окрашивание внутри контура или без наружного контура достигается выбором соответствующей фигуры на дополнительном табло, которое появляется в нижней части Панели инструментов при активизации кнопки Заливка этой фигуры. Нажав правую клавишу мыши, можно «распылять» цвет фона. Метод рисования выбирают, используя кнопку Контур.

Группа Толщина содержит табло с линиями разной ширины. Установленная ширина применяется при рисовании объекта.

Группа Цвета содержит палитру цветов. Paint позволяет работать сразу с двумя цветами: цветом переднего плана и цветом фона. Цветом переднего плана (основным цветом) обычно рисуют основную часть рисунка и текстовые символы. Два смещенных относительно друг друга прямоугольника в левой части палитры указывают текущий цвет: верхний — основной, нижний — цвет фона. Кнопка Изменение цветов устанавливает: основной — щелчком левой клавиши мыши на любом из цветов палитры, цвет фона — щелчком правой клавиши.

Изучив все инструменты рисования и окрашивания рисунка создаем изображение, выполняя следующие действия:

  • • в рабочем поле создаем рисунок;
  • • окрашиваем рисунок;
  • • редактируем созданное изображение (рис. 2.26).

Сохраняем изображение в графическом файле с расширением

.bmp и копируем его в ранее созданный с помощью текстового редактора файл.

В текстовом редакторе разгруппировывают все элементы векторного рисунка, совмещают их с растровым рисунком. Затем, заново выделив все элементы, группируют. В итоге на экране получаем совмещенный многослойный рисунок с надписью (рис. 2.27).

Растровый рисунок

Рис. 2.26. Растровый рисунок

Совмещенный многослойный рисунок

Рис. 2.27. Совмещенный многослойный рисунок

Повторная группировка выполняется, чтобы элементы рисунка «не разъезжались».

Контрольные вопросы

  • 1. В чем основное назначение процессора MS Word?
  • 2. Что такое редактирование и форматирование текста?
  • 3. Что понимается под параметрами страницы и как установить их и функцию автопереноса?
  • 4. Какие соотношения между размерами полей документа необходимо соблюдать и почему?
  • 5. Как создать оглавление документа?
  • 6. Как создать формулу, рисунок, таблицу, диаграмму в MS Word?
  • 7. В чем заключается назначение векторного графического редактора? Назовите его основные функции.
  • 8. Как создать сгруппированный рисунок в векторном редакторе Word?
  • 9. В чем назначение растрового графического редактора? Назовите его основные функции.
  • 10. Как создать совмещенный рисунок, используя изображения созданные в Word и Paint
 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы