Графические возможности компьютера

Автор

Пахучая Т.А.

Учитель

Стариков В.А.

Новочеркасск 2008

1. Введение

2. Кодировка графической информации

3. Графические возможности языка Visual Basic

4. Графические возможности языка Pascal

5. Технология обработки графической информации

5.1 Растровая и векторная графика

5.2 Графические редакторы

5.3 3D графика и анимация на примере прикладного пакета 3D Studio MAX2

Применение компьютерной техники в современной жизни стало незаменимым. Огромное количество отраслей используют вычислительные машины для ускорения решения задач. До недавнего времени вся компьютерная техника была лишь вспомогательным устройством для человека. Компьютер проводил различные вычисления, а основная работа лежала всё равно на человеке. Перед человечеством же стояли задачи масштабных строительств, проектов на будущее, испытаний, которых компьютер решить не мог. С появлением мощных графических станций, а так же компьютеров, способных решать не только математические задачи, но и визуализировать сложнейшие технологические процессы на экране, начинается новая эра в компьютерной промышленности.

На сегодняшний день компьютерная графика неотъемлемая часть жизни современного общества. Рекламные щиты, цветные журналы, спецэффекты в фильмах – всё это в той или иной мере имеет отношение к компьютерной графике. Либо это обработанные фотографии, либо от начала до конца созданные на компьютере изображения.

Самая большая радость для программиста – это видеть и знать, что пользователи находят для его детища самые разнообразные применения. Особенно это касается таких продуктов, как 3D Studio MAX2, который, в отличие от текстового процессора или электронной таблицы, позволяет с помощью изобразительных средств воплотить самые фантастические идеи и мечты в жизнь.

Компьютерное трёхмерное моделирование, анимация и графика в целом не уничтожают в человеке истинного творца, а позволяют ему освободить творческую мысль от физических усилий, максимально настроившись на плод своего творения. Конечно, пока невозможно заниматься графикой без определённых навыков, но технология не стоит на месте и, возможно, в недалёком будущем творение человека будет зависеть только от его мысли.

Пространственная дискретизация. В процессе кодирования изображения производится его пространственная дискретизация. Пространственную дискретизацию изображения можно сравнить с построением изображения их мозаики. Изображение разбивается на отдельные маленькие фрагменты (точки), причем каждому фрагменту присваивается значение его цвета, то есть код цвета (красный, синий и т.д.).

Качество кодирования изображения зависит от двух параметров. Во-первых, качество кодирования изображения тем выше, чем меньше размер точки и соответственно большее количество точек составляет изображение.

Во-вторых, чем большее количество цветов, то есть большее количество возможных состояний точки изображения используется, тем более качественно кодируется изображение (каждая точка несет большее количество информации). Совокупность используемых в наборе цветов образует палитру цветов.

Формирование растрового изображения. Графическая информация на экране монитора представляется в виде растрового изображения, которое формируется из определенного количества строк, которые в свою очередь содержат определенное количество точек (пикселей).

Качество изображения определяется разрешающей способностью монитора, т. е. количеством точек, из которого оно складывается. Чем больше разрешающая способность, то есть чем больше количество строк растра и точек в строке, тем выше качество изображения. В современных персональных компьютерах обычно используется три основных разрешающие способности экрана: 800*600, 1024*768, 1280*1024 точки.

Рассмотрим формирование на экране монитора растрового изображения, состоящего из 600 строк по 800 точек в каждой строке (всего 480 000 точек). В простейшем случае (черно-белое изображение без градаций серого цвета) каждая точка экрана может иметь одно из двух состояний – «черная» или «белая», то есть для хранения ее состояния необходим 1 бит.

Цветные изображения формируются в соответствии с двоичным кодом цвета каждой точки, хранящимся в видеопамяти. Цветные изображения могут иметь различную глубину цвета, которая задается количеством битов, используемым для кодирования цвета точки. Наиболее распространенными значениями глубины цвета являются 8, 16, 24 и 32 бита.

Каждый цвет можно рассматривать как возможное состояние точки, тогда количество цветов, отображаемых на экране монитора, может быть вычислено по формуле:

N=2ⁱ ,

где I – глубина цвета.

Глубина цвета и количество отображаемых цветов

Глубина цвета (i)	Количество отображаемых цветов (N)
8	28=256
16(High color)	216=65 536
24(True color)	224=16 777 216
32(True color)	232=4 294 967 296

Цветное изображение на экране монитора формируется за счет смешивания трех базовых цветов: красного, синего и зеленого. Такая цветовая модель называется RGB-моделью по первым буквам английских названий цветов (Red, Green, Blue).

Для получения богатой палитры цветов базовым цветам могут быть заданны различные интенсивности. Например, при глубине цвета в 24 бита на каждый из цветов выделяется по 8 бит, то есть для каждого из цветов возможны N=2⁸ =256 уровней интенсивности, заданные двоичными кодами (от минимальной – 00000000 до максимальной – 11111111).

название цвета	интенсивность
красный	зеленый	синий
Черный	00000000	00000000	00000000
Красный	11111111	00000000	00000000
Зеленый	00000000	11111111	00000000
Синий	00000000	00000000	11111111
Голубой	00000000	11111111	11111111
Желтый	11111111	11111111	00000000
Белый	11111111	11111111	11111111

Графический режим. Графический режим вывода изображения на экран монитора определяется величиной разрешающей способности и глубиной цвета. Для того чтобы на экране монитора формировалось изображение, информация о каждой его точке должна храниться в видеопамяти компьютера. Рассчитываем необходимый объем видеопамяти для одного из графических режимов, например, с разрешением 800*600 точек и глубиной цвета 24 бита на точку.

Всего точек на экране: 800*600=480 000

Необходимый объем видеопамяти:

24 бит * 480 000 точек = 11 520 000 бит = 1 440 000 байт = 1,37 Мбайт

Аналогично рассчитываем необходимый объем видеопамяти для других графических режимов.

В Windows предусмотрена возможность выбора графического режима и настройки параметров видеосистемы компьютера, включающей монитор и видеоадаптер.

На формах (Form) или графических окнах (Picture Box) можно рисовать различные графические примитивы с использованием графических методов:

Scale – позволяет задавать систему координат и масштаб для формы или графического окна:

Object. Scale (Х1, Y1)-(Х2, Y2)

Аргументами метода являются Х1, Y1 - координаты левого верхнего угла объекта и Х2, Y2 – координаты правого нижнего угла объекта.

PSET – установка точки с заданными координатами и цветом:

Object. PSET (Х, Y) [,color]

Аргументами являются Х, Y – координаты точки и color – цвет линии. Значение аргумента color можно задать различными способами:

• С помощью одной из восьми констант, определяющих цвет (vbBlack - черный,vbBlue - синий ,vbGreen - зеленый,vbCyan - голубой,vbRed - красный,vbMagenta - сиреневый,vbYellow - желтый,vbWhite - белый);

• С помощью функции QBColor(number), аргументом которого являются числа от 0 до 15, а результат соответствует одному из основных 16 цветов;

• С помощью функции RGB(bytGreen, bytRed, bytBlue), аргументом которой являются три числа в диапазоне от 0 до 255(интенсивности базовых цветов), а результатом – число типа Long в диапазоне от 0 до 256³ - 1(16 777 215). Таким образом, определяется цветовая палитра с более чем 16 миллионами цветов, а каждый цвет задается числом, которое вычисляется по формуле: bytRed + 256* bytGreen + 256* bytBlue.

В случае отсутствия аргумента color рисование будет производиться цветом, принятым по умолчанию (черным).

Line – рисование линии, прямоугольника или закрашенного прямоугольника заданного цвета:

Object. Line (Х1, Y1) - (Х2, Y2) [, color] [, B] [F]

Аргументами метода являются Х1, Y1 и Х2, Y2 – координаты концов линии (левого верхнего и правого нижнего угла прямоугольника), color = цвет линии. Флажок B задает рисование прямоугольника, а флажок F = его закрашивание.

Circle – рисование окружности, овала или дуги с заданными координатами центра, радиусом, цветом, начальным и конечным углами дуги и коэффициентом сжатия:

Object. Circle (X, Y), radius [, color, start, end, aspect]

Аргументами метода являются Х, Y – координаты центра окружности, radius – радиус окружности, color – цвет окружности, start и end – начальный и конечный углы дуги, aspect – коэффициент сжатия.

Если графический метод применяется к объекту «форма» (Form), то при его записи имя объекта Object можно опускать.

• АНИМАЦИЯ. Для создания анимации (иллюзии движения на экране какого-либо объекта) применяется принцип смены кадров (изображений), как это делается в мультипликации. Программа, имитирующая движение, должна реализовать следующие этапы:

• создание изображения на экране;

• реализация временной паузы для того, чтобы глаз зафиксировал изображение;

• проведение коррекции изображения.

Анимация часто используется для изображения движения объектов. Для регуляции скорости движения объекта используется пустой цикл: чем большее количество раз он будет выполняться, тем медленнее будет двигаться объект.

Графические возможности языка Pascal не во многом отличаются от языка VisualBasic.

1. .Растровая и векторная графика.

Все создаваемые с помощью компьютера изображения можно разделить на две большие части – растровую и векторную графику. Растровые изображения представляют собой однослойную сетку точек, называемых пикселами, каждая из которых может иметь определенный цвет. Диапазон доступных цветов определяется текущей палитрой. Так например для черно-белого изображения в палитре два цвета - черный и белый, для цветных изображений палитра может состоять из 16, 256, 65536, 16777216 т.е. 2¹,2⁴,2⁸,2¹⁶,2²⁴ а также 2³².

В противоположность этому векторное изображение многослойно. Каждый элемент этого изображения - линия, прямоугольник, окружность или фрагмент текста - располагается в своем собственном слое, пикселы которого устанавливаются совершенно независимо от других слоёв. Каждый элемент векторного изображения является объектом, который описывается с помощью специального языка (мат. уравнения линий, дуг, окружности и т.д.). Кроме того, сложные объекты (ломанные линии, различные геометрические фигуры) описываются как совокупность элементарных графических объектов (линий, дуг и т.д.).

Такое векторное изображение представляет собой совокупность слоев содержащих различные графические объекты. Слои накладываясь друг на друга формируют цельное изображение.

Объекты векторного изображения, могут произвольно без потери качества изменять свои размеры.

При изменении размеров объектов растрового изображения происходит потеря качества. Например при увеличении растрового изображения увеличивается зернистость.

1. .Графические редакторы

В настоящее время имеется множество программ для редактирования графических изображений. Эти программы в соответствии с делением графики на растровую и векторную можно условно разделить на два класса:

1. Программ для работы с растровой графикой.

2. Программ для работы с векторной графикой.

Также имеются программы, которые совмещают возможности программ этих двух классов. Т.е. позволяют создавать изображения состоящие из растровой и векторной графики.

Среди программ первого класса отметим :

Графический редактор Paint — простой однооконный графический редактор, который позволяет создавать и редактировать достаточно сложные рисунки.

Photoshop фирмы Adobe многооконный графический редактор позволяет создавать и редактировать сложные рисунки, а также обрабатывать графические изображения (фотографии). Содержит множество фильтров для обработки фотографий (изменение яркости, контрастности и т.д.).

Среди программ второго класса отметим:

Программа Microsoft Draw — входящая в комплект MS Office. Эта программа служит для создания различных рисунков, схем. Обычно вызывается из MS Word.

Adobe Illustrator, Corel Draw — программы используются в издательском деле, позволяет создавать сложные векторные изображения.

Как правило программы первого класса позволяют сохранять изображения в файлах стандартных форматов: bmp, pcx, gif, tif, а программы второго класса используют для этих целей свои форматы.

1. .3D графика и анимация на примере прикладного пакета 3D Studio MAX2

Основы 3D графики и анимации.

В наше время CGI-образы (от слов Computer Graphics Imagery – изображение созданное на компьютере) окружают нас повсеместно: на телевидении, в кино и даже на страницах журналов. Компьютерная графика превратилась из узкоспециальной области интересов ученых-компьюторщиков в дело, которому стремиться посвятить себя множество людей. Среди программных комплексов трехмерной графики, предназначенных для работы на компьютерах типа PC, лидирующее место занимает 3D Studio MAX2.

Общее представление о 3D.

В самом названии рассматриваемой области – “трехмерная графика” - заложено указание на то, что нам предстоит иметь дело с тремя пространственными измерениями: шириной, высотой и глубиной. Если взглянуть вокруг: все, что нас окружает, обладает тремя измерениями – стол, стул, жилые здания, промышленные корпуса и даже тела людей. Однако термин “трехмерная графика” все же является искажением истины. На деле трехмерная компьютерная графика имеет дело всего лишь с двумерными проекциями объектов воображаемого трехмерного мира.

Чтобы проиллюстрировать сказанное, можно представить оператора с видеокамерой, с помощью которой он снимает объекты, расположенные в комнате. Когда во время съемок он перемещается по комнате, то в объектив попадают различные трехмерные объекты, но при воспроизведении отснятой видеозаписи на экране телевизора будут видны всего лишь плоские двумерные изображения, представляющие собой запечатленные образы снятых несколько минут назад трехмерных объектов. Сцена на экране выглядит вполне реально благодаря наличию источников света, естественной расцветке всех объектов и присутствию теней, придающих изображению глубину и делающих его визуально правдоподобными, хотя оно и остается всего лишь двумерным образом.

В компьютерной графике объекты существуют лишь в памяти компьютера. Они не имеют физической формы – это не более чем совокупность математических уравнений и движение электронов в микросхемах. Поскольку объекты, о которых идет речь, не могут существовать вне компьютера, единственным способом увидеть их является добавление новых математических уравнений, описывающих источники света и съемочные камеры. Программный комплекс 3D Studio MAX2 позволяет выполнять все вышеперечисленные операции.

Использование программы, подобной 3D Studio MAX2, во многом сходно со съемкой с помощью видеокамеры комнаты, полной сконструированных объектов. Программный комплекс 3D Studio MAX2 позволяет смоделировать комнату и ее содержимое с использованием разнообразных базовых объектов, таких как кубы, сферы, цилиндры и конусы, а также с использованием инструментов, необходимых для реализации разнообразных методов создания более сложных объектов.

После того как модели всех объектов созданы и должным образом размещены в составе сцены, можно выбрать из библиотеки любые готовые материалы, такие как пластик, дерево, камень и т.д. и применить эти материалы к объектам сцены. Можно создать и собственные материалы, пользуясь средствами редактора материалов (Material Editor) 3D Studio MAX2, с помощью которых можно управлять цветом, глянцевитостью, прозрачностью и даже применять сканированные фотографии или нарисованные изображения, чтобы поверхность объекта выглядела так, как это было задумано.

Применив к объектам материалы, необходимо создать воображаемые съемочные камеры, через объективы которых будет наблюдаться виртуальный трехмерный мир, и производиться съемка наполняющих его объектов. За счет настройки параметров виртуальных камер можно получить широкоугольную панораму сцены или укрупнить план съемки, чтобы сосредоточить свое внимание на отдельных мелких деталях. Пакет 3D Studio MAX2 поддерживает модели камер с набором параметров свойственных настоящим фото- или видеокамерам, с помощью которых можно наблюдать сцену именно в том виде, какой требуется по замыслу сценария.

Чтобы сделать сцену еще более реалистичной, можно добавить в ее состав источники света. MAX позволяет включать в сцену источники света различных типов, а также настраивать параметры этих источников.

Реализация геометрических принципов в 3D Studio MAX2

Трехмерное пространство

Работая с 3D Studio MAX2 пользователь имеет дело с воображаемым трехмерным пространством. Трехмерное пространство – это куб в кибернетическом пространстве, создаваемый в памяти компьютера. Кибернетическое пространство отличается от реального физического мира тем, что создается и существует только в памяти компьютера благодаря действию специального программного обеспечения.

Однако подобно реальному пространству, трехмерное пространство также неограниченно велико. Задача поиска объектов и ориентации легко решается благодаря использованию координат.

Наименьшей областью пространства, которая может быть занята каким-то объектом, является точка (point). Положение каждой точки определяется тройкой чисел, называемых координатами (coordinates). Примером координат может служить тройка (0;0;0), определяющая центральную точку трехмерного пространства, называемую также началом координат (origin point). Другими примерами координат могут являться тройки (200;674;96) или (23;67;12).

Каждая точка трехмерного пространства имеет три координаты, из которых одна определяет высоту, другая – ширину, третья – глубину положения точки. Таким образом, через каждую точку можно провести три координатных оси киберпространства.

Координатная ось (axis) – это воображаемая линия киберпространства, определяющая направление изменения координаты. В MAX имеются три стандартные оси, называемые осями X, Y и Z. Можно условно считать, что ось X представляет координату ширины, ось Y – высоты, а ось Z – глубины.

3D объекты

Если соединить две точки в киберпространстве, то будет создана линия (line). Например, соединяя точки (0;0;0) и (5;5;0) получается линия. Если продолжить эту линию, соединив ее конец с точкой (9;3;0) то получиться полилиния (poliline), то есть линия, состоящая из нескольких сегментов. (В 3D Studio MAX2 термины линия и полилиния взаимозаменяемые.) Если соединить последнюю точку с первой, то получиться замкнутая форма (closed shape), то есть форма, у которой есть внутренняя и наружная области. Нарисованная форма представляет собой простой трехсторонний многоугольник (polygon), называемый также гранью (face), и составляет основу объектов, создаваемых в виртуальном трехмерном пространстве. У многогранника имеются следующие базовые элементы: вершина, ребро, грань.

Вершина (vertex) – это точка в которой соединяется любое количество линий. Грань (face) – это фрагмент пространства, ограниченный ребрами многоугольника. Ребро (edge) - это линия, формирующая границу грани.

В 3D Studio MAX2 объекты составляются из многоугольников, кусков Безье или поверхности типа NURBS, причем чаще всего используются многоугольники, расположенные таким образом, чтобы образовать оболочку нужной формы. В ряде случаев для формирования объекта требуется всего несколько многоугольников. Однако в большинстве случаев формирование объектов требует использования сотен и тысяч многоугольников, образующих огромный массив данных. Так, например, в процессе работы с кубом компьютер должен отслеживать положение восьми вершин, шести граней и двенадцати видимых ребер. Для более сложных объектов число элементов состоящих из многоугольников может достигать десятков и сотен тысяч.

Проекции 3D объектов

Точка наблюдения (viewpoint) – это позиция в трехмерном пространстве, определяющая положение наблюдателя. Точки наблюдения являются основой формирования в MAX окон проекций (viewports), каждое из которых демонстрирует результат проекции объектов трехмерной сцены на плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения из определенной точки.

Воображаемая плоскость, проходящая через точку наблюдения перпендикулярно линии взгляда, называется плоскостью отображения, которая определяет границы области видимой наблюдателю. Плоскость отображения иногда называют плоскостью отсечки.

Чтобы увидеть объекты, расположенные позади плоскости отображения, необходимо сменить положения точки наблюдения. Или “отодвигать” плоскость отсечки, пока интересующие нас объекты не окажутся впереди плоскости.

В MAX окнах, позволяющих заглянуть в виртуальный трехмерный мир, называются окнами проекций (viewports). Экран монитора сам по себе является плоскостью отображения, поскольку пользователь может видеть только то, что располагается в киберпространстве “за плоскостью” экрана монитора. Боковые границы участка отображающегося в окне проекции, определяются границами окна. Три из четырех демонстрируемых по умолчанию окон проекций в 3D Studio MAX2 являются окнами ортографических проекций. При построении изображений в этих окнах считается, что точка наблюдения удалена от сцены на бесконечное расстояние, а все лучи, исходящие из точки наблюдения к объектам, параллельны соответствующей оси координат. Четвертое окно проекции MAX из числа принятых по умолчанию, Perspective (Перспектива), является окном не ортографической, а центральной проекции и демонстрирует более реалистичное на вид изображение трехмерной сцены, при построении которого лучи считаются выходящими расходящимся пучком из точки наблюдения, как это происходит в реальной жизни.

Примитивы

Трехмерные примитивы составляют основу многих программных пакетов компьютерной графики и обеспечивают возможность создания разнообразных объектов простой формы. Во многих случаях для формирования нужной модели трехмерные примитивы приходится объединять или модифицировать. МАХ 2.0 предоставляет вам два набора примитивов: стандартные (Standard Primitives) и улучшенные (Extended Primitives). К числу стандартных примитивов относятся параллелепипед, сфера, геосфера, конус, цилиндр, труба, кольцо, пирамида, чайник, призма. Улучшенными называются примитивы многогранник, тороидальный узел, параллелепипед с фаской, цистерна, капсула, веретено, тело L-экструзии, обобщенный многоугольник. Работая с примитивами почти всегда необходимо прибегать к их преобразованию или модификации для создания нужных объектов. Например, можно смоделировать стены здания набором длинных и высоких параллелепипедов малой толщины. Создавая дополнительные прямоугольные блоки меньшего размера и вычитая их из блоков стен, можно создать проемы для окон и дверей. Сами по себе примитивы используются довольно редко.

Составные объекты – это тела, составленные из двух или более простых объектов (как правило объектов примитивов). Создание составных объектов представляет собой продуктивный метод моделирования многих реальных объектов, таких как морская мина, стены с проемами для дверей и окон, а также фантастических тел, перетекающих из одной формы в другую как жидкость. 3D Studio MAX2 предоставляет возможность использовать шесть типов составных объектов.

Морфинговые. Объекты данного типа позволяют выполнять анимацию плавного преобразования одного тела в другое.

Булевские. Объекты этого типа позволяют объединять два или несколько трехмерных тел для получения одного нового. Применяются для создания отверстий или проемов в объемных телах или для соединения нескольких объектов в один. Этот тип идеально подходит для архитектурного моделирования или любых других задач, в которых необходимо вычесть (исключить) объем, занимаемый одним телом, из другого.

Распределенные. Объекты этого типа представляют собой результат распределения дубликатов одного трехмерного тела по поверхности другого. Могут использоваться для имитации стеблей травы, ямочек на поверхности мяча для гольфа или деревьев на модели ландшафта.

Соответствующие. Данный тип объектов позволяет заставить одно трехмерное тело принять форму другого. Это отлично подходит для создания таких эффектов, как плавление, таяние или растекание.

Соединяющиеся. Этот тип объектов позволяет соединить между собой отверстия в двух исходных телах своеобразным тоннелем.

Слитые с формой. Объекты этого типа позволяют соединять сплайновую форму с поверхностью трехмерного тела. Фактически, это позволяет рисовать на поверхностях трехмерных тел.