В век информационных технологий компьютерная графика получила широкое распространение во всем мире. Почему она так популярна? Где она применяется? И вообще, что такое компьютерная графика? Давайте разберемся!

Компьютерная графика: что такое?

Проще всего - это наука. Кроме того, это один из разделов информатики. Он изучает способы обработки и форматирования графического изображения с помощью компьютера.

Уроки компьютерной графики на сегодняшний день существуют и в школах, и в высших учебных заведениях. И трудно сегодня найти область, где она не была бы востребована.

Также на вопрос: «Что такое компьютерная графика?» - можно ответить, что это одно из многих направлений информатики и, кроме того, относится к наиболее молодым: оно существует около сорока лет. Как и всякая иная наука, она имеет свой определенный предмет, цели, методы и задачи.

Какие задачи решает компьютерная графика?

Если рассматривать этот раздел информатики в широком смысле, то можно увидеть, что средства компьютерной графики позволяют решать следующие три типа задач:

1) Перевод словесного описания в графическое изображение.

2) Задача распознавания образов, то есть перевод картинки в описание.

3) Редактирование графических изображений.

Направления компьютерной графики

Несмотря на то что сфера применения этой области информатики, бесспорно, крайне широка, можно выделить основные направления компьютерной графики, где она стала важнейшим средством решения возникающих задач.

Во-первых, иллюстративное направление. Оно является самым широким из всех, так как охватывает задачи начиная от простой визуализации данных и заканчивая созданием анимационных фильмов.

Во-вторых, саморазвивающееся направление: компьютерная графика, темы и возможности которой поистине безграничны, позволяет расширять и совершенствовать свои навыки.

В-третьих, исследовательское направление. Оно включает в себя изображение абстрактных понятий. То есть применение компьютерной графики направлено на создание изображения того, что не имеет физического аналога. Зачем? Как правило, с целью показать модель для наглядности либо проследить изменение параметров и скорректировать их.

Какие существуют виды компьютерной графики?

Еще раз: что такое компьютерная графика? Это изучающий способы и средства обработки и создания графического изображения с помощью техники. Различают четыре вида компьютерной графики, несмотря на то, что для обработки картинки с помощью компьютера существует огромное количество различных программ. Это растровая, векторная, фрактальная и 3-D графика.

Каковы их отличительные черты? В первую очередь виды компьютерной графики различаются по принципам формирования иллюстрации при отображении на бумаге или на экране монитора.

Растровая графика

Базовым элементом растрового изображения или иллюстрации является точка. При условии, что картинка находится на экране, точка называется пикселем. Каждый из пикселей изображения обладает своими параметрами: цветом и расположением на холсте. Разумеется, что чем меньше размеры пикселей и больше их количество, тем лучше выглядит картинка.

Основная проблема растрового изображения - это большие объемы данных.

Второй недостаток растровой графики - необходимость увеличить картинку для того, чтобы рассмотреть детали.

Кроме того, при сильном увеличении происходит пикселизация изображения, то есть разделение его на пиксели, что в значительной степени искажает иллюстрацию.

Векторная графика

Элементарной составляющей векторной графики является линия. Естественно, что в растровой графике тоже присутствуют линии, однако они рассматриваются как совокупность точек. А в векторной графике все, что нарисовано, является совокупностью линий.

Этот тип компьютерной графики идеален для того, чтобы хранить высокоточные изображения, такие как, например, чертежи и схемы.

Информация в файле хранится не как графическое изображение, а в виде координат точек, с помощью которых программа воссоздает рисунок.

Соответственно, для каждой из точек линии резервируется одна из ячеек памяти. Необходимо заметить, что в векторной графике объем памяти, занимаемый одним объектом, остается неизменным, а также не зависит от его размера и длины. Почему так происходит? Потому что линия в векторной графике задается в виде нескольких параметров, или, проще говоря, формулой. Что бы мы ни делали с ней в дальнейшем, в ячейке памяти будут изменяться лишь параметры объекта. Количество ячеек памяти останется прежним.

Таким образом, можно прийти к выводу, что векторные файлы, по сравнению с растровыми, занимают гораздо меньший объем памяти.

Трехмерная графика

3D-графика, или трехмерная графика, изучает методы и приемы создания объемных моделей объектов, максимально соответствующие реальным. Подобные изображения можно рассмотреть со всех сторон.

Гладкие поверхности и разнообразные графические фигуры используются с целью создания объемных иллюстраций. С их помощью художник создает сначала каркас будущего объекта, а потом поверхность покрывают такими материалами, которые визуально похожи на реальные. Далее делают гравитацию, осветление, свойства атмосферы и прочие параметры пространства, в котором находится изображаемый объект. Затем, при условии, что объект движется, задают траекторию движения и его скорость.

Фрактальная графика

Фракталом называется рисунок, состоящий из одинаковых элементов. Большое количество изображений являются фракталами. К примеру, снежинка Коха, множество Мандельброта, треугольник Серпинского, а также «дракон» Хартера-Хейтчея.

Фрактальный рисунок можно построить либо с помощью какого-либо алгоритма, либо путем автоматического создания изображения, которое осуществляется путем вычислений по заданным формулам.

Модификация изображения происходит при внесении изменений в структуру алгоритма или смене коэффициентов в формуле.

Главным преимуществом фрактальной графики является то, что в сохраняются только формулы и алгоритмы.

компьютерной графики

Однако необходимо заметить, что выделение данных направлений весьма условно. Кроме того, оно может быть детализировано и расширено.

Итак, перечислим основные области компьютерной графики:

1) моделирование;

2) проектирование;

3) отображение визуальной информации;

4) создание пользовательского интерфейса.

Где применяется компьютерная графика?

В инженерном программировании широко используется трехмерная компьютерная графика. Информатика в первую очередь пришла на помощь инженерам и математикам. Средствами трехмерной графики происходит моделирование физических объектов и процессов, например, в мультипликации, компьютерных играх и кинематографе.

Широко применяется при разработке полиграфических и мультимедийных изданий. Очень редко иллюстрации, которые выполняются средствами растровой графики, создаются с помощью компьютерных программ вручную. Зачастую с этой целью пользуются отсканированные изображения, которые художник изготовил на фотографии или бумаге.

В современном мире широко применяются цифровые фото- и видеокамеры с целью ввода растровых фотографий в компьютер. Соответственно, подавляющее большинство которые предназначены для работы с растровой графикой, ориентированы не на создание изображений, а на редактирование и обработку.

Растровые изображения применяются в интернете в том случае, если есть необходимость передать всю цветовую гамму.

А вот программы для работы с векторной графикой, наоборот, чаще всего используются с целью создания иллюстраций, ежели для обработки. Подобные средства нередко используют в издательствах, редакциях, дизайнерских бюро и рекламных агентствах.

Средствами векторной графики гораздо проще решаются вопросы оформительских работ, которые основаны на применении простейших элементов и шрифтов.

Бесспорно, существуют примеры векторных высокохудожественных произведений, однако они являются скорее исключением, чем правилом, по той простой причине, что подготовка иллюстраций средствами векторной графики необычайно сложна.

Для автоматического с помощью математических расчетов созданы программные средства, работающие с факториальной графикой. Именно в программировании, а не в оформлении или рисовании состоит создание факториальной композиции. Факториальная графика редко применяется с целью создания электронного или печатного документа, однако ее нередко используют в развлекательных целях.

Воспроизводящее визуальные свойства каких-либо поверхностей или объектов. В отличие от рисунка, к текстуре не применяются нормы и требования композиции , поскольку текстура сама по себе художественным произведением не является, хотя и может иногда выступать доминантой в художественном произведении.

Текстуру, окрестности всех точек которой визуально подобны друг другу, называют равномерной текстурой (гомогенной текстурой).

Компьютерная графика

В компьютерной графике текстурами часто называют растровые цифровые изображения, содержащие текстурные элементы.

Текстуру часто ошибочно называют фоном. Понятие фона относится к перспективному месту на изображении, заднему плану. Текстура же в этом смысле - это изображение, визуально отображающее совокупность свойств поверхности какого-либо объекта - реального или вымышленного.

Понятия «текстура» и «фактура» применительно к свойствам какой-либо поверхности используются синонимично. Иногда словом "фактура" называют совокупность тактильных свойств, а текстурой - совокупность свойств визуальных. Однако за цифровым графическим изображением таких свойств закрепилось слово «текстура».

Параметры

Размер

Для цифрового художника предпочтительнее использовать текстуры большого размера, даже если результат его работы по размеру меньше, чем сами текстуры. Это связано с эффектом антиалиасинга , возникающем, если пытаться увеличивать текстурное изображение в графическом редакторе. При увеличении с антиалиасингом образуется размытость изображения - результат работы программных алгоритмов вычисления и усреднения цвета - что может существенно снизить качество текстуры на создаваемом изображении. В противоположность этому, при уменьшении большого изображения такие эффекты незаметны. Поэтому текстуры большого размера (англ. high resolution ) более ценны как инструмент художника. Размер текстур, точно так же, как и размеры обычных растровых изображений, измеряют в пикселях .

Тип

Общепринятой классификации текстур по типам не существует, однако все же возможно выделить некоторые типы:

• По эффектам при замощении : обычные (или шовные) и бесшовные текстуры (англ. Seamless patterns ). Бесшовные текстуры при сочленении не образуют видимого шва, т.е. нарушения текстурного рисунка, поэтому ими можно безболезненно замостить холст сколь угодно большого размера. Бесшовные текстуры часто называют паттернами, что является калькой с англ. pattern - узор. К примеру, в растровом графическом редакторе Adobe Photoshop во многих последних версиях имеются предустановленные бесшовные текстуры для замощения холста.

• По типу изображаемой текстуры (список неполон):
  • текстуры природных объектов (древесная кора, листья, небо и т.д.);
  • текстуры поверхностей из различных материалов (деревянные, металлические, глиняные, каменные, бумажные поверхности и т.д.);
  • текстуры шума , ветра, царапин, выщербленности, иных повреждений;
  • абстрактные текстуры, на которых не изображены объекты, но имеется более-менее однородный фон

Способы получения

К способам получения текстур относятся:

• фотографирование объекта, содержащего текстуру, на цифровую фотокамеру, с опциональной пост-обработкой в графическом редакторе;
• сканирование объекта, содержащего текстуру. Недостаток этого способа в том, что, при превалирующей распространенности сканеров планшетного типа, объемные элементы (к примеру, габаритный деревянный щит) отсканировать трудно или вовсе невозможно;
• отрисовка текстуры «с нуля» в графическом редакторе. Таким образом создаются, как правило, абстрактные текстуры, которым нет аналога в окружающем мире.

Определение и основные виды компьютерной графики

Компьютерная графика - раздел информатики, который изучает средства и способы создания, обработки и передачи графической цифровой инофрмации.

Существует 3 основных вида КГ:

1) Растровая – вид КГ, в котором изучается работа растром (прямоугольная матрица одинаковых элементов, образующая изображение)

2) Векторная – вид КГ, в котором изучаются изображения созданные на основе элементарных геометрических объектов, таких как: точки, линии, сплайны и многоугольники.

3) Фрактальная – раздел КГ, в котором изучаются изображения построенные на основе фракталов (самоповторяющийся рисунок)

Основные области применения компьютерной графики

1) Графические интерфейсы

2) Визуализация данных

3) Компьютерные игры

4) Системы автоматизированного проектирования

5) Искусство – дизайн, кинематограф

Фрактальная графика

Фрактальная графика – раздел КГ, в котором изучаются изображения построенные на основе фракталов (самоповторяющийся рисунок)

Двухмерная и трёхмерная компьютерная графика

Двухмерная (2D - от англ. two dimensions - «два измерения») компьютерная графика классифицируется по типу представления графической информации, и следующими из него алгоритмами обработки изображений. Обычно компьютерную графику разделяют на векторную и растровую, хотя обособляют ещё и фрактальный тип представления изображений.

Трёхмерная графика (3D - от англ. three dimensions - «три измерения») оперирует с объектами в трёхмерном пространстве. Обычно результаты представляют собой плоскую картинку, проекцию. Трёхмерная компьютерная графика широко используется в кино, компьютерных играх.

Трехмерная графика бывает полигональной и воксельной. Воксельная графика, аналогична растровой. Объект состоит из набора трехмерных фигур, чаще всего кубов. А в полигональной компьютерной графике все объекты обычно представляются как набор поверхностей, минимальную поверхность называют полигоном. В качестве полигона обычно выбирают треугольники.

Любой полигон можно представить в виде набора из координат его вершин. Так, у треугольника будет 3 вершины. Координаты каждой вершины представляют собой вектор (x, y, z). Умножив вектор на соответствующую матрицу, мы получим новый вектор. Сделав такое преобразование со всеми вершинами полигона, получим новый полигон, а преобразовав все полигоны, получим новый объект, повёрнутый/сдвинутый/масштабированный относительно исходного.

5. Дополнительные виды компьютерной графики (пиксельная, ASCII, псевдографика)

Пи́ксельная гра́фика (от англ. pixel - сокращение от pix element) - форма цифрового изображения, созданного на компьютере с помощью растрового графического редактора, где изображение редактируется на уровне пикселей (точек), а разрешение изображения настолько мало, что отдельные пиксели чётко видны. На старых (или на неполнофункциональных) компьютерах, в играх для Game Boy, играх для старых игровых приставок и многих играх для мобильных телефонов в основном используется пиксельная графика, так как это единственный способ сделать чётким небольшое изображение при малом разрешении экранов, характерном для этих устройств.

ASCII графика (от англ. ASCII artwork) - форма изобразительного искусства, использующая символы ASCII на моноширинном экране компьютерного терминала (терминальный сервер) или принтера для представления изображений. При создании такого изображения используется палитра, состоящая из буквенных, цифровых символов и символов знаков пунктуации из числа 95 символов таблицы ASCII. По причине высокой вероятности различий в представлении на системах с национальными вариантами таблицы остальные 160 символов, как правило, не используются.Двухмерная и трёхмерная компьютерная графика

6. Определение и основные понятия растровой графики

Элементы растра:

1) Для вывода 2D растровой графики на экран используется пиксель (picture element). Как правило пиксель имеет форму многоугольника, так как в такую фигуру проще вписать элемент вывода.

2) Если растр выводится на печатающее устройство, то используется термин точка (dot).

3) В 3D графике используется термин воксель (voxel) – объемный пиксель.

Разрешение растра…

Глубина цвета – диапазон цветовой гаммы, который используется для закрашивания растра.

Объем растра – произведение разрешения на глубину цвета.

Разрешение растрового изображения

Разрешение растра – количество элементов растра в самом растре.

Измерения разрешения:

1) Принятое измерение разрешение экрана выводимое на монитор (320х240px)

2) Плотность пикселей – ppi – pixel per inch

3) Реальное количество пикселей Mpx, Gxp

4) Плотность вывода точек на печать – DPI – dot’s per inch

Разрешение цифрового видео, развёртка и соотношение сторон кадра

Цифровое видео – вид растровой графики, в котором используется растровое изображение, состоящее из нескольких кадров. Основной характеристикой цифрового видео является разрешение. DVD – 576i, 480i; PAL – 720x576; NTSC – 720x480. «i» говорит о том, что вывод строк при воспроизведении происходит через одну. Каждый кадр содержит либо четные, либо нечетные строки. Это называется черезстрочная развертка кадра. «р» - прогрессивная развертка кадров, при ней происходит вывод каждой строки в кадре.

Представление цветов в компьютерной графике, цветовая модель

Цветовая модель - математическая модель описания представления цветов. Все возможные значения цветов, задаваемые моделью, определяют цветовое пространство. Цветовая модель обычно используется для хранения и обработки цветов в дискретном виде, при представлении ее в вычислительных устройствах, в частности, ЭВМ. Цветовая модель задаёт соответствие между воспринимаемыми человеком цветами, хранимыми в памяти, и цветами, формируемым на устройствах вывода (возможно, при заданных условиях).

Аддитивные и субтрактивные цветовые модели

Аддитивное смешение цветов - метод синтеза цвета, основанный на сложении аддитивных цветов , то есть цветов непосредственно излучающих объектов.

Смешивая три основных цвета: красный, зелёный и синий - в определенном соотношении, можно воспроизвести большинство воспринимаемых человеком цветов.

Один из примеров использования аддитивного синтеза - компьютерный монитор, цветное изображение на котором основано на цветовом пространстве RGB и получается из красных, зеленых и синих точек.

В противоположность аддитивному смешению цветов существуют схемы субтрактивного синтеза. В этом случае цвет формируется за счет вычитания из отраженного от бумаги (или проходящего через прозрачный носитель) света определенных цветов. Самая распространенная модель субтрактивного синтеза - CMYK, широко применяющаяся в полиграфии.

Цветовая модель RGB

Цветовая модель соответствует физической модели восприятия цвета человеком(красном, заленом и синем).

Человеческий глаз наиболее восприимчив к зеленому цвету, затем к красному, и в последнюю очередь к синему.

Для записи цвета используется, как правило, значение до 8 бит в десятиричной или шестнадцатиричной форме.

Числовое представление RGB

Цветовая модель RGB используется для кодирования и синтеза цвета, передаваемых с помощью светоизлучения.

(0,0,0) #000000 – черный

(255,255,255) #FFFFFF – белый

В RGB отводится по 2 бита на каждый из цветов(8бит/ RGB=2бита), при этом цвета делятся в соотношении красный:зеленый:синий = 3:3:2

В SVGA – Super-VGA отводится по 8 бит на каждый цвет, так как на цветовую модель отводится 24 бита.

8 бит = 256 цветов

24 бита = 16 777 216 цветов = True Color

16 бит = 65 536 цветов = Hight Color

Человек в среднем воспринимает от 7 до 8 миллионов оттенков.

RGBA –четырехканальная цветовая модель, в котором четвертый канал – это a канал и служит для определения прозрачности.

Компрессия цифрового видео

Чтобы ввести в компьютер и записать на диск видео с аналогового источника - телевизора, видеомагнитофона, аналоговой камеры, - сигнал необходимо преобразовать в цифровую форму - оцифровать. Эта операция осуществляется с помощью электронного устройства, называемого аналогово-цифровым преобразователем (АЦП).

Если же видео вводится в компьютер с цифровой камеры, то такую операцию принято называть захватом (capture). Впрочем, оцифровку аналоговых записей также часто называют термином «захват». В процессе захвата цифровой сигнал может быть преобразован в другой формат.

Одна секунда «захваченной» видеозаписи без звука занимает свыше 30 Мбайт дискового пространства. Это означает, что двухчасовой фильм займет свыше 100 Гбайт, а на диске DVD емкостью 4,7 Гбайт поместится всего 156 секунд видео. Кроме того, для воспроизведения такого фильма необходимо обеспечить скорость передачи данных свыше 200 Мбит/сек, что является весьма сложной задачей для современной аппаратуры. Поэтому для уменьшения объема цифровых данных видеосигнал при захвате перед записью на жесткий диск подвергается сжатию (компрессии). При этом используется преимущественно компрессия по алгоритмам MPEG.

Стандарты MPEG разработаны Экспертной группой кинематографии (Moving Picture Experts Group - MPEG). MPEG - это стандарт сжатия звука и видео в более удобный для хранения, загрузки или пересылки, например через Интернет, формат.
MPEG состоит из трех частей: Audio, Video, System (объединение и синхронизация двух других). Существуют разные стандарты: MPEG-1, MPEG-2, MPEG-3, MPEG-4, MPEG-7.
Компрессия MPEG-1 используется в основном на дисках VideoCD HXVCD. Более совершенный стандарт - MPEG-2, обеспечивающий значительно лучшее качество, стал не только нормой европейского цифрового телевещания, но и был принят как стандарт сжатия для записи изображения на DVD. Этот стандарт используется также для записи дисков Super VideoCD, CVD, XSVCD и некоторых других. Для записи видеодисков формата DivX используется компрессия MPEG-4.

Алгоритм де Кастельжопа

В вычислительной математике алгоритм де Кастельжо, названный в честь его изобретателя Поля де Кастельжо - рекурсивный метод определения формы многочленов Бернштейна или кривых Безье. Алгоритм де Кастельжо также может быть использован для разделения кривой Безье на две части по произвольному значению параметра.

Достоинством алгоритма является его более высокая вычислительная устойчивость по сравнению с прямым методом.

Линейные кривые

Параметр t в функции, описывающей линейный случай кривой Безье, определяет, где именно на расстоянии от P0 до P1 находится B(t). Например, при t = 0,25 значение функции B(t) соответствует четверти расстояния между точками P0 и P1. Параметр t изменяется от 0 до 1, а B(t) описывает отрезок прямой между точкамиP0 и P1.

Квадратичные кривые

Для построения квадратичных кривых Безье требуется выделение двух промежуточных точек Q0 и Q1 из условия, чтобы параметр t изменялся от 0 до 1:

Кривые высших степеней

Для построения кривых высших порядков соответственно требуется и больше промежуточных точек. Для кубической кривой это промежуточные точки Q0, Q1 и Q2, описывающие линейные кривые, а также точки R0 и R1, которые описывают квадратичные кривые: более простое уравнение p0q0/p0q1=q1p1/p1p2=bq0/q1q0

33. Аффинное преобразование и его матричное представление

Аффинным называется преобразование плоскости, переводящее каждую прямую в прямую и параллельные прямые а параллельные.

Преобразование называется взаимно однозначным, если

Разные точки переходят в разные;

В каждую точку переходит какая-то точка.

Например, сжатие 0 разжатие, поворот, перенос и тд

Матрица 3x3, последний столбец которой равен (0 0 1)T, задает аффинное преобразование плоскости:

По одному из свойств, аффинное преобразование можно записать в виде:

f(x) = x * R + t,

где R – обратимая матрица 2x2, а t – произвольный вектор.

34. Виды аффинных преобразований

Сжатие, растяжение, поворот, перенос, движение, наклон, отображение

Кривые поверхности

Обычно под кривыми поверхностями понимается полигональная модель.

Полигональная модель – кривая поверхность построенная с помощью графических примитивов, обычно треугольник или четырёх угнольник.

Примитивы – геометрические объекты, объёмные поля, которые составляют векторный рисунок:

· Многоугольник;

· Тела вращения.

Уравнение рендеринга

· - длина волны света.

· - время.

· - количество излучения заданной длины волны исходящего вдоль направления во время , из заданой точки

· - излучённый свет.

· - интеграл по полусфере входящих направлений.

· - двунаправленная функция распределения отражения, количество излучения отражённого от к в точке , во время , на длине волны

· - длина волны по входящему направление к точке из направления во время .

· - поглощение входящего излучения по заданному углу.

Графический конвейер

Графический конвейер (graphic pipeline) - это некоторое программно-аппаратное средство, которое преобразует описание объектов в «мире» приложения в матрицу ячеек видеопамяти растрового дисплея. Его задача - создать иллюзию, о которой говорили выше.
В глобальных координатах приложение создает объекты, состоящие из трехмерных примитивов. В этом же пространстве располагаются источники освещения, а также определяются точка зрения и направление взгляда наблюдателя. Естественно, что наблюдателю видна только часть объектов: любое тело имеет как видимую (обращенную к наблюдателю), так и невидимую (обратную) сторону. Кроме того, тела могут полностью или частично перекрывать друг друга. Взаимное расположение объектов относительно друг друга и их видимость для зафиксированного наблюдателя обрабатываются на первой стадии графического конвейера, называемой трансформацией (transformation). На этой стадии выполняются вращение, перемещение и масштабирование объектов, а затем и преобразование из глобального пространства в пространство наблюдения (world-to-viewspace transform), а из него и преобразование в «окно» наблюдения (viewspace-to-window transform), включая и проецирование с учетом перспективы. Попутно с преобразованием из глобального пространства в пространство наблюдения (до него или после) происходит удаление невидимых поверхностей, что значительно сокращает объем информации, участвующей в дальнейшей обработке. На следующей стадии конвейера (lighting) определяется освещенность (и цвет) каждой точки проекции объектов, обусловленная установленными источниками освещения и свойствами поверхностей объектов. И наконец, на стадии растеризации (rasterization) формируется растровый образ в видеопамяти. На этой стадии на изображения поверхностей наносятся текстуры и выполняется интерполяция интенсивности цвета точек, улучшающая восприятие сформированного изображения. Весь процесс создания растрового изображения трехмерных объектов называется рендерингом (rendering).

Шейдеры, шейдерные языки

Ше́йдер (англ. Shader; схема затемнения, программа построения теней) - это программа для одной из ступеней графического конвейера, используемая втрёхмерной графике для определения окончательных параметров объекта или изображения. Она может включать в себя произвольной сложности описание поглощения и рассеяния света, наложения текстуры, отражение и преломление, затемнение, смещение поверхности и эффекты пост-обработки.

Программируемые шейдеры гибки и эффективны. Сложные с виду поверхности могут быть визуализированы при помощи простых геометрических форм. Например, шейдеры могут быть использованы для рисования поверхности из трёхмерной керамической плитки на абсолютно плоской поверхности.

Чтобы понять, что такое шейдер, разберемся для начала, как видео карта рисует примитивы (треугольники, полигоны и др.) На вход поступают данные о каждой вершине примитива. Например, положение вершины в пространстве, нормаль и текстурные координаты. Эти данные называются вершинными атрибутами (vertex attributes). GPU на их основе вычисляет выходные значения: положение вершины в экранных координатах, цвет вершины, рассчитанный в зависимости от освещения и т.д. До выхода видео карт GeForce 3 и Radeon 8500 этот процесс был неуправляемым. Если вас, например, не устраивали те формулы, по которым считается освещение в OpenGL, и вы хотели применить свои, то ничего нельзя было поделать. Приходилось либо довольствоваться тем, что умеет GPU, либо выполнять расчеты для каждой вершины на процессоре, что намного медленнее. Решением этой проблемы стали вертексные программы (в Direct3D они называются вертексные шейдеры). Вертексная программа - это программа, написанная на специальном языке низкого уровня, которая выполняется на GPU и преобразует входные вертексные атрибуты в выходные, которые поступают на вход пиксельного шейдера. Важной особенностью вертексных и пиксельных программ является то, что все инструкции работают с векторами. Например, чтобы посчитать скалярное произведение, надо выполнить всего лишь одну инструкцию, а не 5 (2 сложения и 3 умножения), как на CPU. Благодаря этому можно выполнить массу операций небольшим числом инструкций. Например, умножение матрицы на вектор - всего 4 инструкции. А если инструкций мало, то скорость выполнения такой программы довольно высокая.
Значения, вычисленные в вертексном шейдере, интерполируются по треугольнику. На видео картах, не поддерживающих пиксельные шейдеры, для каждого пикселя определяется его цвет и цвет текстуры (или нескольких текстур) в данной точке. Потом эти цвета умножаются или складываются, в зависимости от параметров выполненной ранее функции glTexEnv(), и результат записывается в буфер кадра. Если же видео карта поддерживает пиксельные шейдеры, то все намного интереснее. Интерполированные по треугольнику значения поступают на вход некоторой программы, называемой пиксельным шейдером. Это программа, состоящая из ряда арифметических и других инструкций, рассчитывает цвет пикселя, который записывается в буфер кадра. По сравнения с вертексными программами, скорость выполнения пиксельных шейдеров намного выше. Можно почти моментально выполнять штук 10 векторных инструкций для каждого пикселя! На CPU такое сделать просто невозможно.
Пиксельные и вертексные шейдеры позволяют на аппаратном уровне создавать потрясающие эффекты: освещение на пиксельном уровне, bump mapping, отражение и преломление, волны на воде, скелетная анимация персонажей, тени и многое другое!

Шейдерные языки

Впервые использованные в системе RenderMan компании Pixar, шейдеры получали всё большее распространение со снижением цен на компьютеры. Основное преимущество от использования шейдеров - их гибкость, упрощающая и удешевляющая цикл разработки программы, и при том повышающая сложность и реалистичность визуализируемых сцен.

Шейдерные языки обычно содержат специальные типы данных, такие как матрицы, семплеры, векторы, а также набор встроенных переменных и констант для удобной интеграции со стандартной функциональностью 3D API. Поскольку компьютерная графика имеет множество сфер приложения, для удовлетворения различных потребностей рынка было создано большое количество шейдерных языков.

Профессиональный рендеринг

Данные шейдерные языки ориентированы на достижение максимального качества визуализации. Описание свойств материалов сделано на максимально абстрактном уровне, для работы не требуется особых навыков программирования или знания аппаратной части. Такие шейдеры обычно создаются художниками с целью обеспечить «правильный вид», подобно наложению текстуры, источников света и другим аспектам их работы.

Обработка таких шейдеров обычно представляет собой ресурсоёмкую задачу. Совокупная вычислительная мощность, необходимая для обеспечения их работы, может быть очень велика, так как используется для создания фотореалистичных изображений. Основная часть вычислений при подобной визуализации выполняется большими компьютерными кластерами.

Шейдерный язык RenderMan

Шейдерный язык RenderMan, описанный в Спецификации интерфейса RenderMan, является фактическим стандартом для профессионального рендеринга. APIRenderMan, разработанный Робом Куком, используется во всех работах студии Pixar. Он также является первым из реализованных шейдерных языков.

Шейдерный язык Gelato

NVIDIA Gelato представляет собой оригинальную гибридную систему рендеринга изображений и анимации трехмерных сцен и объектов, использующую для расчетов центральные процессоры и аппаратные возможности профессиональных видеокарт серии Quadro FX.

Основополагающим принципом, которого неукоснительно придерживаются разработчики, является бескомпромиссное качество финального изображения, не ограниченное ничем, в том числе - современными возможностями видеокарт. Как производственный инструмент, способный создавать конечный продукт высокого качества, Gelato предназначен для профессионального использования в таких областях как кино, телевидение, промышленный дизайн и архитектурные визуализации.

Open Shading Language

Open Shading Language (OSL) - представляет собой небольшой, но богатый язык для программируемых шейдеров в развитых рендерах и других приложениях, идеально подходит для описывающих материалов, света, перемещения и получения изображения.

OSL - был разработан Sony Pictures Imageworks для использования в своем внутреннем рендере и используется для анимационных фильмов и визуальных эффектов.

OSL используется в пакете для создания трёхмерной компьютерной графики Blender.

Шейдерный язык Cg

Разработан nVidia совместно с Microsoft (такой же по сути язык от Microsoft называется HLSL, включён в DirectX 9). Cg расшифровывается как C for Graphics. Язык действительно очень похож на C, он использует схожие типы (int, float, а также специальный 16-битный тип с плавающей запятой - half). Поддерживаются функции и структуры. Язык обладает своеобразными оптимизациями в виде упакованных массивов (packed arrays) - объявления типа «float a» и «float4 a» в нём соответствуют разным типам. Второе объявление и есть упакованный массив, операции с упакованным массивом выполняются быстрее, чем с обычными. Несмотря на то, что язык разработан nVidia, он без проблем работает и с видеокартами ATI. Однако следует учесть, что все шейдерные программы обладают своими особенностями, о которых можно узнать из специализированных источников.

Шейдерные языки DirectX

Типы шейдеров

В настоящее время шейдеры делятся на три типа: вершинные, геометрические и фрагментные (пиксельные).
Вершинные шейдеры (Vertex Shader)
Вершинный шейдер оперирует данными, сопоставленными с вершинами многогранников. К таким данным, в частности, относятся координаты вершины в пространстве, текстурные координаты, тангенс-вектор, вектор бинормали, вектор нормали. Вершинный шейдер может быть использован для видового и перспективного преобразования вершин, генерации текстурных координат, расчета освещения и т. д.
Геометрические шейдеры (Geometry Shader)
Геометрический шейдер, в отличие от вершинного, способен обработать не только одну вершину, но и целый примитив. Это может быть отрезок (две вершины) и треугольник (три вершины), а при наличии информации о смежных вершинах (adjacency) может быть обработано до шести вершин для треугольного примитива. Кроме того, геометрический шейдер способен генерировать примитивы «на лету», не задействуя при этом центральный процессор. Впервые начал использоваться на видеокартах Nvidia серии 8.
Пиксельные шейдеры (Pixel Shader)
Фрагментный шейдер работает с фрагментами изображения. Под фрагментом изображения в данном случае понимается пиксель, которому поставлен в соответствие некоторый набор атрибутов, таких как цвет, глубина, текстурные координаты. Фрагментный шейдер используется на последней стадии графического конвейера для формирования фрагмента изображения.

57. Определение, основные понятия и методы текстурирования

Тексту́ра - растровое изображение, накладываемое на поверхность полигональной модели для придания ей цвета, окраски или иллюзии рельефа. Приблизительно использование текстур можно легко представить как рисунок на поверхности скульптурного изображения. Использование текстур позволяет воспроизвести малые объекты поверхности, создание которых полигонами оказалось бы чрезмерно ресурсоёмким. Например, шрамы на коже, складки на одежде, мелкие камни и прочие предметы на поверхности стен и почвы.

Качество текстурированной поверхности определяется текселями - количеством пикселей на минимальную единицу текстуры. Так как сама по себе текстура является изображением, разрешение текстуры и её формат играют большую роль, которая впоследствии сказывается на общем впечатлении от качества графики в 3D-приложении.

Традиционно термином texture mapping или тектурирование в трехмерном моделировании называют процесс наложения двухмерной текстуры на трехмерный объект (текстура как бы натягивается на объект) для придания ему соответствующего внешнего вида. Таким образом, например, производится "раскрашивание" моделей монстров и игроков в трехмерных играх типа Quake и др.

Методы текстурирования

Bump mapping(рельефное текстурирование) - простой способ создания эффекта рельефной поверхности с детализацией большей, чем позволяет полигональная поверхность. Эффект главным образом достигается за счет освещения поверхности источником света и черно-белой (одноканальной) карты высот, путем виртуального смещения пикселя (как при методе Displace mapping) как если бы там был вертекс(только без физического и визуального сдвига), за счет чего таким же образом изменяется ориентация нормалей использующихся для расчета освещенности пикселя (затенение по Фонгу), в результате получаются по-разному освещенные и затененные участки. Как правило Bump mapping позволяет создать не очень сложные бугристые поверхности, плоские выступы или впадины, на этом его использование заканчивается. Для более детальных эффектов в последствии был придуман Normal mapping.

MIP-текстурирование (англ. MIP mapping) - метод текстурирования, использующий несколько копий одной текстуры с разной детализацией. Название происходит от лат. multum in parvo - «много в малом».

Изображение лучше всего выглядит, когда детализация текстуры близка к разрешению экрана. Если разрешение экрана высокое (текстура слишком маленькая/объект очень близко), получается размытое изображение. Если же разрешение текстуры слишком высокое (текстура слишком велика/объект очень далеко), получаем случайные пиксели - а значит, потерю мелких деталей, мерцание и большой проценткэш-промахов. Получается, что лучше иметь несколько текстур разной детализации и накладывать на объект ту, которая наиболее подходит в данной ситуации.

Принцип действия

Создаётся так называемая MIP-пирамида - последовательность текстур с разрешением от максимального до 1×1. Например: 1×1, 2×2, 4×4, 8×8, 16×16, 32×32, 64×64, 128×128, 256×256, 512×512 и 1024×1024. Каждая из этих текстур называется MIP-уровнем (англ. MIP level) или уровнем детализации - LOD (англ. level of detail).

На всех этих текстурах находится одно и то же изображение. Таким образом, MIP-текстурирование увеличивает расход видеопамяти на треть:

.

При наложении текстур вычисляется расстояние до объекта и номер текстуры находится по формуле:

где resolution - разрешение виртуальной камеры (количество пикселей, которое будет в объекте размером в 1 ед., расположенном в 1 ед. от камеры), texelsize - размер текселя в единицах трёхмерного мира, dist - расстояние до объекта в тех же единицах, mip bias - число, позволяющее выбирать более или менее детальную текстуру, чем даёт формула.

Эта цифра округляется до целого, и текстура с соответствующим номером (нулевая - самая детальная, первая - вдвое меньшая и т. д.) накладывается на объект.

Недостатки

Расход видеопамяти увеличивается на треть. Впрочем, типичные объемы видеопамяти в начале 2010ых составляют 1-3 ГБ. К тому же, если объект далеко, его детальную текстуру можно выгрузить в оперативную память.

MIP-текстурирование не решает проблему текстур, находящихся под острым углом к зрителю (например, дорога в автосимуляторе). У таких текстур разрешение по одной оси сильно отличается от разрешения по другой - и, например, по оси X изображение явно размыто, в то время как по оси Y видны мерцания, свойственные завышенному разрешению текстуры. Есть сразу несколько способов решения этого (начиная с наименее качественного):

Установить в видеодрайвере наиболее комфортное значение mip bias - числа́, которое отвечает за выбор номера текстуры в пирамиде. Если оно отрицательное, видеоплата берёт более детальные текстуры, если положительное - менее детальные.

Многие игры сами устанавливают подходящий mip bias для разных типов объектов. Например, в Live for Speed mip bias устанавливается пользователем отдельно для автомобилей, препятствий и дороги.

Воспользоваться анизотропной фильтрацией - методом текстурирования, который направлен именно на решение этой проблемы.

Наконец, видна чёткая граница между MIP-уровнями. Это решается трилинейной фильтрацией.

Процедурное текстурирование - метод создания текстур, при котором изображение текстуры создается с помощью какого-либо алгоритма (процедурного алгоритма).

Лучше всего процесс процедурного текстурирования представить в виде блоков (операторов). Существует три типа блоков:

генераторы

вспомогательные

Каждый генератор и фильтр реализует какой-либо процедурный алгоритм. Каждый блок имеет совокупность параметров. Даже если не использовать такую схему все равно она сводится к этому общему случаю.

Для создания «природных» текстур, таких как дерево, гранит, металл, камни, лава в качестве фильтров используютсяфрактальный шум (англ. fractal noise) и ячеистые текстуры (англ. cellular textures).

Свойства процедурных текстур:

Обратимость. В процедурной текстуре сохраняется вся история ее создания.

Малый размер (если в качестве исходных данных к процедурным алгоритмам выступают только числовые значения).

Неограниченное количество вариаций при использовании стохастических (использующих генератор псевдослучайных чисел) алгоритмов.

Масштабируемость до любого размера (зависит от процедурного движка/библиотеки).

Одновременно с итоговой текстурой очень легко получаются alpha-, bump-, reflect-карты.

Детальное текстурирование (англ. Detail mapping) - программная техника в трёхмерной компьютерной графике, которая позволяет улучшить детализацию текстур на близком расстоянии от камеры. Конечный результат создаёт иллюзию использования текстуры огромного разрешения.

При приближении камеры к полигональной модели текстура становится размытой. В случае достаточного объема свободной памяти размытие может быть устранено увеличением разрешения текстуры. Однако хранение каждой текстуры в огромном разрешении не является практичным решением. Детальное текстурирование решает проблему другим путём:

Базовая текстура оставляется в разумном среднем разрешении

Создаётся детальная текстура с крупномасштабным изображением мелких деталей (отдельные травинки, галька, структура древесины и т. д.)

Полученная текстура обесцвечивается

Фильтром верхних частот удаляется всё, кроме самых мелких деталей

Фильтром коррекции гистограммы устанавливается средняя яркость на уровне 0.5

Обе текстуры смешиваются в пиксельном шейдере

Перед смешиванием текстурные координаты детальной текстуры масштабируются, чтобы детальная текстура повторялась в несколько раз чаще базовой

Для снижения заметности повторений детальной текстуры масштаб выбирается нецелочисленным

Цвет базовой текстуры умножается на цвет детальной, умноженный на 2 (для сохранения исходной яркости)

Рельефное текстурирование

Рельефное текстурирование - метод в компьютерной графике для придания более реалистичного и насыщенного вида поверхности объектов.

Bump mapping - простой способ создания эффекта рельефной поверхности с детализацией большей, чем позволяет полигональная поверхность. Эффект главным образом достигается за счет освещения поверхности источником света и черно-белой (одноканальной) карты высот, путем виртуального смещения пикселя (как при методе Displace mapping) как если бы там был вертекс(только без физического и визуального сдвига), за счет чего таким же образом изменяется ориентация нормалей использующихся для расчета освещенности пикселя (затенение по Фонгу), в результате получаются по-разному освещенные и затененные участки. Как правило Bump mapping позволяет создать не очень сложные бугристые поверхности, плоские выступы или впадины, на этом его использование заканчивается. Для более детальных эффектов в последствии был придуман Normal mapping.

Normal mapping - техника, позволяющая изменять нормаль отображаемого пикселя основываясь на цветной карте нормалей, в которой эти отклонения хранятся в виде текселя, цветовые составляющие которого интерпретируются в оси вектора , на основе которого вычисляется нормаль, используемая для расчета освещенности пикселя. Благодаря тому, что в карте нормалей задействуются 3 канала текстуры, этот метод дает большую точность, чем Bump mapping, в котором используется только один канал и нормали, по сути, всего лишь интерпретируются в зависимости от "высоты".

Карты нормалей обычно бывают двух типов:

object-space - используется для не деформирующихся объектов, таких как стены, двери, оружие и т.п.

tangent-space - применяется для возможности деформировать объекты, например персонажей.

Для создания карт нормалей обычно используется высокополигональная и низкополигональная модели, их сравнение дает нужные отклонения нормалей для последней.

Parallax mapping

Данная технология также использует карты нормалей, но, в отличие от normal mapping, она реализует не только освещение с учётом рельефа, но и сдвигает координаты диффузной текстуры. Этим достигается наиболее полный эффект рельефа, особенно при взгляде на поверхность под углом.

Компью́терная гра́фика (также маши́нная графика ) - область деятельности, в которой компьютеры наряду со специальным программным обеспечением используются в качестве инструмента, как для создания (синтеза) и редактирования изображений, так и для оцифровки визуальной информации , полученной из реального мира, с целью дальнейшей её обработки и хранения.

История

Первые вычислительные машины 40-х годов XX-века ("ABC" (1942), "ENIAC"(1946), "EDSAC" (1949), "МЭСМ" (1950)), разрабатывались и использовались строго для расчетов и не имели отдельных средств для работы с графикой. Однако уже тогда некоторые энтузиасты пытались использовались эти ЭВМ первого поколения на электронных лампах для получения и обработки изображений. Программируя память первых моделей ЭВМ и устройств вывода информации, построенных на основе матрицы электрических ламп, можно было получать простые узоры. Лампы накаливания включались и отключались в определенном порядке, образуя изображения различных фигур.

В конце 40-х и начале 50-х годах , в многих компьютерах стали использовать электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) в виде осциллографов, или трубок Вильямса , которые использовались как оперативная память. Теоретически, записывая 0 или 1 в определенном порядке в такую память, на экране можно было отобразить какое-нибудь изображение, но на практике это не использовалось. Однако в 1952 году британский инженер Александр Дуглас (Alexander Shafto "Sandy" Douglas ) написал шуточную программу "OXO " (Крестики-нолики) для программируемого компьютера EDSAC (1949г.), ставшей в истории первой компьютерной игрой. Изображение решетки и нолики с крестиками строилось путем программирования трубки Вильямса или прорисовывалось на соседнем ЭЛТ.

В 50-х годах вычислительные возможности компьютеров и графические возможности периферийных средств не позволяли рисовать высоко детализированные изображения, но давали возможно осуществить посимвольный вывод изображений на экраны мониторов и типовых принтеров. Изображения на этих устройствах строились из алфавитно-цифровых символов (символьная графика , позже пришло название ASCII-графика и ASCII-Art ). Всё просто: разница в плотности алфавитно-цифровых знаков и особенности человеческого зрения: не воспринимать детали изображения c большого расстояния, позволила создавать на компьютере рисунки и псевдографические объекты. Подобные изображения до появления компьютеров на бумаге создавали машинистки на печатных машинках в конце 19 века.

В 1950 году энтузиаст Бенджамин Лапоски (Ben Laposky ), математик, художник и чертежник, начал экспериментировать с экраном осциллографа, создавая сложные динамичные фигуры - осцилионы . Танец света создавался сложнейшими настройками на этом электронно-лучевом приборе. Для запечатления изображений применялись высокоскоростная фотография и особые объективы, позже были добавлены пигментированные фильтры, наполнявшие снимки цветом.

В 1950 году в военном компьютере Whirlwind-I (по русс. Вихрь, Ураган), встроенный в систему SAGE противовоздушной обороны США, впервые был применён монитор - как средство отображения визуальной и графической информации. [ ]

В 1955 году в лаборатории Массачусетского технологического института (MIT) было изобретено световое перо (Light pen) . Световое перо является светочувствительным устройством ввода компьютера, в основном наутилусом, который используется для выбора текста, рисования изображений и взаимодействия с элементами пользовательского интерфейса на экране компьютера или монитора. Перо хорошо работает только с ЭЛТ(CRT)-мониторами из-за того, как такие мониторы сканируют экран, который является одним пикселем за раз, что дает компьютеру способ отслеживать ожидаемое время сканирования электронным лучом и определять положение пера на основе последней метки времени сканирования. На кончике пера находится фотоэлемент, испускающий электронный импульсы и одновременно реагирующий на пиковое свечение, соответствующее моменту прохода электронного луча. Достаточно синхронизировать импульс с положением электронной пушки, чтобы определить, куда именно указывает перо.

Световые перья вовсю использовались в вычислительных терминалах образца 1960-х годов. С появлением ЖК (LCD)-мониторов в 90-х практически перестали использоваться, так как с экранами этих устройств работа светового пера стала невозможной.

В 1957 году инженер Рассел Кирш (Russell A. Kirsch ) из Национального бюро стандартов США изобрел для компьютера SEAC первый сканер и получил на нём первое цифровое изображение - скан-фото маленького ребенка, собственного сына Уолдена (анг. Walden). [ ]

В 60-е годы XX-века начался реальный расцвет компьютерной графики . С приходом новых высокопроизводительных по тем меркам компьютеров с мониторами на основе транзисторов (2-е поколение ЭВМ) и позже микросхем (3-е поколение ЭВМ) машинная графика стала не только сферой энтузиастов, но серьезным научно-практическим направлением развития компьютерных технологий. Появились первые суперкомпьютеры (СВС 6600 и Cray-1 ) позволившие работать не только с быстрыми вычислениями, но с компьютерной графикой на новом уровне.

В 1960 году инженер-дизайнер Ульям Феттер (William Fetter ) из авиастроительной корпорации Боинг (англ. Boeing) впервые ввел термин "Компьютерная графика" . Феттер, рисуя дизайн кабины пилотов самолета на рабочем компьютере, решил в технической документации описать род своей деятельности. В 1964 году Ульям Феттер также создал на компьютере проволочную графическую модель человека и назвал ее "Человек Боинга", он же "Первый человек", которую позже использовали в телерекламе 60-х годов.

В 1962 году программист Стив Рассел (Steve Russell ) из МТИ на компьютере DEC PDP-1 создал отдельную программу с графикой - компьютерную игру «Spacewar! ». Создание игры заняло около 200 человеко-часов . Игра использовала джойстик и обладала интересной физикой с симпатичной графикой. Однако первой компьютерной игрой но без графики можно считать программу Александра Дугласа "OXO" (Крестики-нолики, 1952)

В 1963 году на основе компьютера "TX-2 " американский инженер-программист из МТИ, пионер компьютерной графики, Айвен Сазерленд (Ivan Edward Sutherland ) создал программно-аппаратный комплекс Sketchpad , который позволял рисовать точки, линии и окружности на трубке световым пером . Поддерживались базовые действия с примитивами: перемещение, копирование и др. По сути, это был первый векторный редактор , реализованный на компьютере, ставшим прообразом современных САПР (систем автоматизированного проектирования), например современных AutoCAD или Компас-3D. Также программу можно назвать первым графическим интерфейсом, вышедшем за 10 лет до компьютера Xerox Alto (1973г.), причём она являлась таковой ещё до появления самого термина. Айвен Сазерленд в 1968 году создал прообраз первого компьютерного шлема виртуальной реальности, назвав его "Дамокловым мечом" по аналогии с древнегреческой легендой.

В середине 1960-х гг. появились разработки в промышленных приложениях компьютерной графики. Так, под руководством Т. Мофетта и Н. Тейлора фирма Itek разработала цифровую электронную чертёжную машину (графопостроитель ).

В 1963 году программист из Bell Labs Эдвард Зейджек (Edward E. Zajac ) сделал первую компьютерную анимацию - движение спутника вокруг Земли . Анимация демонстрировала теоретический спутник, который использовал гироскопы, чтобы поддерживать свою ориентацию относительно Земли. Вся компьютерная обработка была сделана на компьютерах серий IBM 7090 или 7094 с использование программы ORBIT. [ ]

В последующие годы выходят и другие, но более сложные и значимые анимации: "Tesseract" (Тессеракт он же гиперкуб, 1965г.) Майкла Нолла из «Bell Labs», "Hummengbird" (Колибри, 1967г.) Чарльза Цури и Джеймса Шаферса, "Кошечка" (1968г.) Николая Константинова, "Metadata" (Метаданные, 1971г.) Питера Фолдерса и т..д.

В 1964 году выпущен IBM 2250 , первый коммерческий графический терминал для мейнфрейма IBM/360.

В 1964 году компания General Motors совместно с IBM представила систему автоматизированного проектирования DAC-1.

В 1967 году профессор Дуглас Энгельбарт (Douglas Carl Engelbart ) сконструировал первую компьютерную мышь (указатель XY-координат) и показал ее возможности на выставке в городе Сан-Франциско в 1968 году.

В 1967 году сотрудник IBM Артур Аппель описывает алгоритм удаления невидимых ребер (в том числе и частично скрытых), позднее названный лучевым кастингом , отправной точкой современной 3D-графики и фотореализма.

В том же 1968 году [ ] существенный прогресс компьютерная графика испытала с появлением возможности запоминать изображения и выводить их на компьютерном дисплее , электронно-лучевой трубке . Появились первые растровые мониторы.

В 70-х годах компьютерная графика получила новый рывок в развитии. Появились первые цветные мониторы и цветная графика. Суперкомпьютеры с цветными дисплеями стали использоваться для создания спецэффектов в кино (фантастическая эпопея 1977 года "Звездные войны " режиссера Джорджа Лукаса, фантастический ужастик "Чужой" (анг. "Alien") киностудии XX-век Fox и режиссера Ридли Скотта , и позже недооцененный научно-фантастический фильм 1982 года «Трон» (англ. Tron) студии Walt Disney и режиссёра Стивена Лисбергера ). В этот период компьютеры стали еще более быстродействующими, их научили рисовать 3D-изображения, возникла трехмерная графика и новое направление визуализации - фрактальная графика. Появились персональные компьютеры с графическими интерфейсами, использующие компьютерную мышь (Xerox Alto (1973г.)).

В 1971 году математик Анри Гуро, в 1972 году Джим Блинн и в 1973 году Буй Туонг Фонг разработали модели затенения , позволившая графике выйти за рамки плоскости и точно отобразить глубину сцены. Джим Блинн стал новатором в области внедрения карт рельефа, техники моделирования неровных поверхностей. А Алгорим Фонга впоследствии стал основным в современных компьютерных играх.

В 1972 году пионер компьютерной графики Эдвин Катмулл (Edwin Catmull ) создал первое 3D-изображение - проволочную и текстурированную модель собственной левой руки.

В 1975 году французский математик Бенуа Мандельброт (Benoît B. Mandelbrot ), программируя компьютер модели IBM, построил на нем изображение результатов вычисления комплексной математической формулы (множество Мандельброта), и в результате анализа полученных повторявших закономерностей дал красивым изображениям название - фрактал (с лат. дробный, разбитый). Так возникла фрактальная геометрия и новое перспективное направление в компьютерной графике - фрактальная графика .

В конце 70-х годах , с появлением персональных компьютеров (4-го поколения - на микропроцессорах), графика с промышленных систем перешла на конкретные рабочие места и в дома простых пользователей. Зародилась индустрия видеоигр и компьютерных игр. Первым массовым персональным компьютером с цветной графикой стал ПК Apple II (1977г.), позже Apple Macintosh (1984г.)

В 80-х годах , с развитием видеосистемы персональных компьютеров IBM PC (1981г. ) графика становилась более детализированной и цветопередающей (повысилось разрешение изображений и расширилась цветовая палитра). Появились первые видеостандарты MDA, CGA, EGA,VGA, SVGA. Разработаны первые стандарты файловых графических форматов, например GIF (1987), Возникло графическое моделирование...

Текущее состояние

Основные области применения

Научная графика - первые компьютеры использовались лишь для решения научных и производственных задач. Чтобы лучше понять полученные результаты, производили их графическую обработку, строили графики, диаграммы, чертежи рассчитанных конструкций. Первые графики на машине получали в режиме символьной печати. Затем появились специальные устройства - графопостроители (плоттеры) для вычерчивания чертежей и графиков чернильным пером на бумаге. Современная научная компьютерная графика дает возможность проводить вычислительные эксперименты с наглядным представлением их результатов.

Деловая графика - область компьютерной графики, предназначенная для наглядного представления различных показателей работы учреждений. Плановые показатели, отчётная документация, статистические сводки - вот объекты, для которых с помощью деловой графики создаются иллюстративные материалы. Программные средства деловой графики включаются в состав электронных таблиц.

Конструкторская графика используется в работе инженеров-конструкторов, архитекторов, изобретателей новой техники. Этот вид компьютерной графики является обязательным элементом САПР (систем автоматизации проектирования). Средствами конструкторской графики можно получать как плоские изображения (проекции, сечения), так и пространственные трёхмерные изображения.

Иллюстративная графика - это произвольное рисование и черчение на экране монитора. Пакеты иллюстративной графики относятся к прикладному программному обеспечению общего назначения. Простейшие программные средства иллюстративной графики называются графическими редакторами.

Художественная и рекламная графика - ставшая популярной во многом благодаря телевидению. С помощью компьютера создаются рекламные ролики, мультфильмы, компьютерные игры, видеоуроки, видеопрезентации. Графические пакеты для этих целей требуют больших ресурсов компьютера по быстродействию и памяти. Отличительной особенностью этих графических пакетов является возможность создания реалистических изображений и «движущихся картинок». Получение рисунков трёхмерных объектов, их повороты, приближения, удаления, деформации связано с большим объёмом вычислений. Передача освещённости объекта в зависимости от положения источника света, от расположения теней, от фактуры поверхности, требует расчётов, учитывающих законы оптики.

Пиксель арт Пиксельная графика, большая форма цифрового искусства, создается с помощью программного обеспечения для растровой графики, где изображения редактируются на уровне пикселей. В увеличенной части изображения отдельные пиксели отображаются в виде квадратов и их легко увидеть. В цифровых изображениях пиксель (или элемент изображения) - это отдельная точка в растровом изображении. Пиксели размещаются на регулярной двумерной сетке и часто представлены точками или квадратами. Графика в большинстве старых (или относительно ограниченных) компьютерных и видеоигр, графические калькуляторные игры и многие игры для мобильных телефонов - в основном пиксельная графика.

Компьютерная анимация - это получение движущихся изображений на экране дисплея. Художник создает на экране рисунки начального и конечного положения движущихся объектов, все промежуточные состояния рассчитывает и изображает компьютер, выполняя расчёты, опирающиеся на математическое описание данного вида движения. Такая анимация называется мультипликация по ключевым кадрам . Так же существуют другие различные виды компьютерной анимации: процедурная анимация , шейповая анимация , программируемая анимация и анимация, где художник сам отрисовывает все кадры "вручную". Полученные рисунки, выводимые последовательно на экран с определённой частотой, создают иллюзию движения.

Мультимедиа - это объединение высококачественного изображения на экране компьютера со звуковым сопровождением. Наибольшее распространение системы мультимедиа получили в области обучения, рекламы, развлечений.

Научная работа

Компьютерная графика является также одной из областей научной деятельности. В области компьютерной графики защищаются диссертации, а также проводятся различные конференции:

• конференция Siggraph , проводится в США
• конференции Eurographics , проводятся ассоциацией Eurographics ежегодно в странах Европы
• конференция Графикон , проводится в России
• CG-событие , проводится в России
• CG Wave 2008 , CG Wave, проводится в России

Техническая сторона

По способам задания изображений графику можно разделить на категории:

Двухмерная графика

Двухмерная (2D - от англ. two dimensions - «два измерения») компьютерная графика классифицируется по типу представления графической информации, и следующими из него алгоритмами обработки изображений. Обычно компьютерную графику разделяют на векторную и растровую, хотя обособляют ещё и фрактальный тип представления изображений.

Векторная графика

Вместе с тем, не всякое изображение можно представить как набор из примитивов. Такой способ представления хорош для схем, используется для масштабируемых шрифтов, деловой графики, очень широко используется для создания мультфильмов и просто роликов разного содержания.

Растровая графика

Пример растрового рисунка

Фрактальная графика

Фрактальное дерево

CGI графика

CGI (англ. computer-generated imagery , букв. «изображения, созданные компьютером») - изображения, получаемые компьютером на основе расчета и использующиеся в изобразительном искусстве , печати , кинематографических спецэффектах , на телевидении и в симуляторах . Созданием движущихся изображений занимается компьютерная анимация , представляющая собой более узкую область графики CGI.

Представление цветов в компьютере

Для передачи и хранения цвета в компьютерной графике используются различные формы его представления. В общем случае цвет представляет собой набор чисел, координат в некоторой цветовой системе.

Стандартные способы хранения и обработки цвета в компьютере обусловлены свойствами человеческого зрения. Наиболее распространены системы RGB для дисплеев и CMYK для работы в типографском деле.

Иногда используется система с большим, чем три, числом компонент. Кодируется спектр отражения или испускания источника, что позволяет более точно описать физические свойства цвета. Такие схемы используются в фотореалистичном трёхмерном рендеринге.

Реальная сторона графики

Любое изображение на мониторе, в силу его плоскости, становится растровым, так как монитор это матрица, он состоит из столбцов и строк. Трёхмерная графика существует лишь в нашем воображении, так как то, что мы видим на мониторе - это проекция трёхмерной фигуры, а уже создаём пространство мы сами. Таким образом, визуализация графики бывает только растровая и векторная, а способ визуализации это только растр(набор пикселей), а от количества этих пикселей зависит способ задания изображения.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Кафедра инженерной графики

Методические указания

к выполнению расчетно-графического задания

«Визуализация информации о процессах и явлениях»

Составитель: Червоняк Т.Ф. - старший преподаватель кафедры инженерной графики Мурманского государственного технического университета

Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании кафедры, протокол № 9 от 20.05.11 г.

Рецензент - к.т.н, доцент кафедры ТМ и С Иваней А.А.

Введение 4

Основы графического представления информации. 5

Графические модели процессов и явлений 20

Указания к выполнению графического задания

«Визуализация информации о процессах и явлениях» 51

Варианты заданий 52

Используемая литература 67

ВВЕДЕНИЕ

В данных методических указаниях изложены общие сведения о графических моделях процессов и явлений, предложены варианты графического задания, а также приведен пример выполнения задания «Визуализация информации о процессах и явлениях».

Цель задания – изучить основные правила составления идеографических моделей визуализации результатов научных и инженерных исследований, таких как таблица, диаграмма, схема.

В процессе выполнения работы студент получает навыки в выполнении таблиц, схем, диаграмм, а также в выборе модели наиболее эффективного средства передачи информации о процессе или явлении, овладевает техникой их вычерчивания в AutoCAD.

Основы графического представления информации

Возрастающий рост объема научно-технической и информации нуждается в современных способах ее обработки и передачи. От современного специалиста требуются качества, позволяющие быстро и точно обрабатывать и передавать большое количество информации. Наиболее эффективными средствами передачи информации являются визуальные, которые считываются органами зрения. Знание этих средств, умение ими пользоваться - составляющие графической грамотности, основы которой могут быть заложены при изучении учебного курса «Инженерная графика».

Инженерная графика - это своеобразный язык, с помощью которого, используя графические модели, специалист имеет возможность излагать свои инженерные замыслы. Причем этот графический язык является интернациональным, он понятен любому технически грамотному человеку.

Современные наука и техника требуют от инженера высокого уровня знаний и умений по визуализации различной информации. Это объясняется тем, что с одной стороны существует естественная потребность человека в зрительно-образных впечатлениях, и он легче усваивает информацию с помощью зрительных образов, а с другой стороны происходит стремительное развитие экранных средств обработки и передачи информации. Тем уместнее говорить не только о важности зрительного восприятия информации, но и об определенной культуре ее визуализации.

Визуальная грамотность - существенная составная часть профессиональной деятельности человека во всех областях знаний и производства. Обладая визуальной грамотностью, человек получает возможность воспроизводить и анализировать образы с помощью визуальных средств отображения (в том числе и компьютерных) на основе имеющихся знаний, использовать приемы творческой импровизации, воплощать свои идеи в изобразительной, технической или художественной графике.

Вербальный язык и вербальные категории содержат примитивные средства для того, чтобы строить пространство, интерпретировать его или производить с ним какие-то действия. Этой цели служат язык образов и

система перцептивных действий, с помощью которых человек строит образ окружающей действительности и ориентируется в ней. Эта система называется восприятием. Восприятие определяется как целостный образ, отражающий единство структуры и свойств объекта. Объектами зрительного восприятия служат предметы, процессы и явления окружающего мира, которые можно расчленить и описать в категориях пространства, движения, формы, текстуры, цвета, яркости и т. п. При восприятии предметов образ более или менее полно отражает объект или ситуацию, в которой находится человек.

Образы, созданные на основе визуального восприятия, обладают большей, чем слова, ассоциативной силой. Зрительный образ весьма пластичен. Это свойство проявляется в том, что в плане образа возможен быстрый переход от обобщенной оценки ситуации к подробному анализу ее элементов. Возможны различного рода перемещения отраженных в образе объектов, их сдвиги, повороты, а также увеличение, уменьшение, перспективные искажения и нормализация. Эта своеобразная манипулятивная способность зрительной системы позволяет представить ситуацию, как в прямой, так и в обратной перспективе. Манипуляции образами, их достраивание - важнейшие средства продуктивного восприятия и визуального мышления.

Многие исследования свидетельствуют о том, что в зрительной системе имеются механизмы, обеспечивающие рождение нового образа. Благодаря им человек способен видеть мир не только таким, каким он существует в действительности, но и таким, каким он может (или должен) быть. Это означает, что зрительные образы являются необходимым условием, даже более того - орудием мыслительной деятельности. Они связаны более непосредственно по сравнению с символами и речью, с окружающей человека предметной действительностью.

Невозможно подготовить творчески мыслящего специалиста без развития у него образного представления, воображения и мышления. Ощутимую пользу в этом деле оказывает универсальный аппарат проекционного схематизма. Один из важнейших инструментов проекционного моделирования, служащих для формирования пространственных представлений, - это геометрическая интерпретация. Объектами интерпретации являются графические модели в виде

комбинации чертежей, схем, текста, диаграмм и т. п. Графические модели предполагают отображение информации в виде набора средств графического представления информации: линий, символов, мнемонических знаков, используемых в соответствии с правилами построения графических моделей. При восприятии информации в таком виде необходим выход в более высокое по размерности операционное пространство, чем при восприятии текста. Степень точности при сопоставлении информационного объекта с его моделью зависит от полноты сведений о проекционном аппарате, который имел место при моделировании.

На рисунке 1 представлена одна из возможных классификаций графических моделей. Пиктографическая модель - графическая модель, составленная с использованием условных графических изображений (пиктограмм), обозначающих предметы, действия или события. Идеографическая модель - графическая модель, составленная с использованием идеограмм - условных письменных знаков, обозначающих понятия.

Вопрос эффективности передачи и усвоения информации является одним из главных на протяжении последних десятилетий. Основным средством коммуникации в мире в начале XXI века служит визуализация (визуальная форма передачи) информации. Наибольшее количество информации (примерно 80-90 %) человек воспринимает визуально.

Рисунок 1. Классификация графических моделей

Рисунок 2. Схема способов передачи информации между людьми

Эффективность, преимущество графического способа передачи информации, по сравнению с двигательным или звуковым (рисунок 2), состоит в том, что зрительное восприятие человеком передаваемой информации и создание им мысленного образа происходят настолько быстро, что человек этот процесс воспринимает как «мгновенный».

При построении графической модели необходимо оценить конструктивные элементы, которые можно использовать для ее создания, их возможности и ограничения: словарь форм и синтаксис их фразировки.

Если смысл текста раскрывается словами, то иллюстрация «говорит» на языке форм. К ним относятся точка, линия, плоская геометрическая фигура, цвет, текстура.

Точка. В теоретическом смысле она не имеет измерения (безразмерна) и указывает место расположения или положение. При создании графической модели (выражения) точка характеризуется концентрацией форм или зрительного восприятия в некотором центре, который привлекает и фиксирует зрительный фокус. Графически точка может быть представлена в виде кружка, пересечения линий, буквы или цифры (как часть графического выражения они часто визуально воспринимаются как точки). В графической практике точка может иметь различные размеры,

форму и цветовой тон (рисунок 3). Она может выступать в качестве символа, изображающего какой-нибудь специфический объект или идею.

Рисунок 3. Элементы, которые могут восприниматься как «Точка»

Линия - это одномерное образование, которое указывает направление, протяженность или движение. Применяется для изображения траектории или маршрута, для обозначения границ или деления. Линейная форма может варьироваться по толщине, длине, структуре, характеру, насыщенности и направлению. Линии бывают точечными или прерывистыми, совокупность отрезков или точек такой линии воспринимается глазом как единая линейная форма (рисунок 4). Слова и предложения как визуальные элементы также могут образовывать линии.

Рисунок 4. Элементы, которые могут восприниматься как «Линия»

Фигура (плоская форма) - двухмерное образование, используется для обозначения контура, площади, очертания, обрамления. Фигуры характеризуются строением своих краев, могут иметь только контур или быть сплошными (заполненными цветом); различаются по размерам, по распределению насыщенности частей, по положению в пространстве, по правильности очертания.

Сочетание слов и чисел может восприниматься как плоские формы (рисунок 5). Несколько геометрических фигур могут быть объединены в группу, образуя при этом плоскую форму больших размеров.

Рисунок 5. Элементы, которые могут восприниматься как «Плоская форма»

Тон или цвет - графическая форма, отражающая степень насыщенности цвета. При отсутствии цвета тон становится оттенком серого. В качестве фона при создании графической модели, состоящей из нескольких взаимосвязанных фигур, лучше использовать светлые тона: они более четко выявляют площадь или структуру, на которую наносятся черным цветом значимые формы. Темные оттенки, используемые в качестве фона, обеспечивают контраст для восприятия малых светлых или второстепенных графических форм. Как структурный элемент, тон является полезным средством для описания объемной формы с помощью светотеней. Это достигается применением сплошных плоскостей различного тона либо градацией тонов.

Текстура - графическая форма, отражающая качество поверхностной структуры объекта (рисунок 6). Текстура образуется скоплением малых частичек в определенной системе, визуальный характер которой зависит от всего этого скопления в целом. Как элемент графической модели, текстура отображает качества физических поверхностей. В этой роли она используется в сочетании с другими элементами формы, особенно с цветом и тоном.

Представление информации с помощью графической модели осуществляется на некоторой поверхности или плоскости. Физически плоскость модели – это поверхность листа или экрана, на котором располагаются различные графические формы.

Рисунок 6. Текстура

Но в зрительном восприятии такая плоскость может выполнять функцию трехмерного пространства, стеклянной панели, благодаря чему можно представить фигуру, расположенную за плоскостью рисунка. Возникает новое измерение - глубина.

Графическая модель неизбежно вызывает работу воображения и создание образа. Чтобы восприятие информации произошло быстро и точно, чтобы образ проник в сознание, он должен быть связан с привычными пространственными представлениями. В связи с этим графическую модель следует создавать с учетом не только индивидуальных смысловых значений графических форм, но и пространственного порядка, в котором эти формы соотносятся между собой. Такая пространственная организация называется грамматикой пространства. Пространственная организация может быть одноплановой (плоской), многоплановой и непрерывной (объемной).

В одноплановом пространстве графические формы полностью располагаются в плоскости рисунка, и модель является плоской по структуре и по расположению. В этом случае формы воспринимаются скорее как плоские геометрические фигуры на странице (на листе или экране), чем трехмерные объекты.

Существуют различные способы организации такого пространства:

прямолинейность, непрерывность, присоединение, ассоциация параллельности, одинаковые размеры, одинаковая резкость, равномерная текстура, объединение .

Пространство многоплановое создается при расположении графических форм на двух (или более) плоскостях. Одна из них - плоскость рисунка, а другая - вторичная плоскость. Таким образом достигается эффект расположения одних форм перед другими. Для создания впечатления о размещении плоских графических форм в различных плоскостях используются некоторые приемы отображения информации: наложение, контраст, «различный вес», ассоциация расстояния, неравные размеры, разная резкость, наложение текстур, разобщение.

Непрерывное пространство объемно по своей природе, в нем графическая форма воспринимается протяженной внутрь от плоскости рисунка непрерывно, создавая иллюзию пространственной массы. Для достижения этого эффекта используются следующие приемы: светотени, ассоциация расстояния, контраст, разная резкость, наложение, размытость текстуры.

Светотени - имитация различной освещенности разных участков графической формы.

Ассоциация расстояния - это сопоставление нарисованных форм с реальными объектами; использование известных из опыта размерных отношений для выявления расстояний между изображаемыми предметами.

Контраст - разделение форм по относительной удаленности путем использования разных оттенков цвета (контраста); более светлая форма отступает в направлении удаленного светлого фона.

Разная резкость - различия в фокусировке, т. е. в резкости; размытые края изображения отодвигают форму вглубь. Наложение более близких форм на более далекие. Размытость текстуры - уменьшение проработки текстуры поверхности у объектов, отступающих в глубину.

Кроме указанных выше приемов и их комбинации, наиболее выразительно передают объемность различные виды перспективы : линейная (параллельная, угловая, наклонная), цилиндрическая, купольная и др.

Графически информация отображается по закону строгого
соответствия композиционного решения, формы графического информационного средства его функциональному назначению, содержанию отображаемой информации. Композиционное решение должно быть цельным и гармоничным. Опыт экспериментальных эргономичных исследований и создания графических моделей представления информации позволил сформулировать ряд общих принципов их компоновки.

Принцип лаконичности заключается в том, что графическое средство представления информации должно содержать лишь те элементы, которые необходимы для сообщения наблюдателю существенной информации, точного понимания ее значения или принятия с вероятностью не ниже некоторой допустимой величины соответствующего оптимального решения. Бесполезно стремиться направить внимание на важнейшие элементы графической модели, если они окружены лишними, визуальными раздражителями, мешающими восприятию главного.

Принцип обобщения и унификации. Символы, обозначающие одни и те же объекты или явления, должны быть непременно унифицированы: иметь одно графическое решение в пределах всего комплекса графических средств. Принцип обобщения предписывает рациональную обобщенность деталей изображаемых объектов (исключает излишнее дробление).

Принцип акцента п редполагает выделение элементов, на которые должно быть направлено основное внимание, с помощью их размера, формы, цвета. В отдельных случаях допустимо нарушение пропорций между размерами символов и изображаемых ими реальных объектов.

Принцип автономности. Части графического средства представления информации, передающие самостоятельное сообщение, следует обособить и четко отграничить от других частей. Разбивая сложную графическую информацию на отдельные простые изображения, можно значительно облегчить ее восприятие и понимание.

Принцип структурности. Каждая автономная часть комплекса графических средств отображения информации должна иметь четкую, легко запоминающуюся и дифференцирующуюся структуру.

Принцип стадийности. В зависимости от стадий, последовательности и цели изложения информации выбирают определенные графические средства.

Принцип использования привычных ассоциаций и стереотипов. Учитываются устойчивые привычные ассоциации между символами и обозначаемыми ими объектами и явлениями, а также стереотипность реакции на определенные символы и сигналы. По возможности применяют не абстрактные условные знаки, а символы, привычно ассоциирующиеся с соответствующими объектами и явлениями. Однако необходимо учитывать, что слишком натуралистическое, подробное изображение внешнего вида фиксирует мысль именно на внешнем сходстве и мешает осознанию других (существенных) признаков объекта.

Композиция является завершающим этапом создания информационного графического средства (модели). Именно на этом этапе работ должно получиться сообщение, соответствующее всем требованиям, предъявляемым к нему: функциональным, эргономическим, эстетическим.

В каждом конкретном случае в зависимости от специфики создаваемых графических средств представления информации, их сложности, масштаба, контингента читателей и прочего композиция может быть представлена по-разному. Тем не менее существует ряд композиционных закономерностей и приемов, которые остаются незыблемыми и составляют основу построения самых разных графических моделей представления научной, технической и другой информации. Достигается это следующими средствами.

Симметрия и асимметрия . Равновесие, гармоничность в симметричных композициях (например, схемах) создается за счет симметрии, а в асимметричных - за счет зрительного уравновешивания неодинаковых частей композиции по отношению к центру или оси симметрии путем изменения размеров и формы графического средства.

Чаще всего основы композиции графического средства представления информации составляют горизонтали и вертикали. Это, как правило, линии, но могут быть использованы точки или компактные объекты. Компонуя графические информационные средства, следует учитывать биомеханику глаза, в частности то, что легче и быстрее глаз совершает горизонтальные движения, чем вертикальные. При этом надо учесть, что число объектов, расположенных в ряд, на одинаковом расстоянии, должно быть 7±2. Если это число больше, то для большинства людей возникает необходимость последовательного считывания информации. В этом случае

лучше информацию разбить на группы.

Метрическая и ритмическая закономерности повторяемости объектов. Метрическая повторяемость основана на равномерном чередовании одного или нескольких элементов. В дополнение к метричности ритм предполагает закономерное изменение некоторых характеристик: расстояние между элементами, их число в группах, форма элементов, их размеры и др.

Промежутки между элементами играют ту же роль, что и паузы в музыке. Если кроме пауз ввести акцент, т. е. усиление некоторых определенных элементов, то это сделает ритм еще более четким. Ритмическое построение осуществляется легче, если число элементов в ряду нечетное. Ощущение ритма может быть создано закономерными светоцветовыми соотношениями, линиями, имеющими одинаковый угол наклона, концентрическими углами, если они чередуются через закономерно изменяющиеся интервалы.

Ритмический ряд должен быть завершен и слева, и справа, так как информация может читаться в любом направлении. Для этого следует: увеличить интервалы перед крайними группами элементов; усилить акценты на центральных группах с применением вспомогательных средств (размеров, надписей, цвета и т. д.); включить в крайние группы инородные элементы.

Обрамление существенно влияет на то, что данное информационное средство воспринимается как самостоятельный, замкнутый зрительный объект или как один из элементов какого-то комплекса. Если это самостоятельный зрительный объект, то обрамление четкое.

Контраст и нюанс. Контраст - резко выраженная противоположность, преувеличение различий воспринимаемых графических форм. Например: черный цвет рядом с белым выглядит еще чернее; серый квадрат на красном фоне кажется зелено-голубым, а на синем - оранжевым. Наиболее резко контраст выражен на границе двух областей.

Нюанс - незначительные различия между однородными свойствами. Контраст и нюанс одновременно присутствуют в композиционном решении, поскольку один из этих приемов подчеркивается и усиливается вторым, придавая особую выразительность композиции в целом.

Масштабность. При создании графической информационной модели существуют трудности с выбором масштаба, поскольку с одной стороны такая модель рассматривается как самостоятельное средство небольших габаритов, а с другой - она является визуальной моделью отображаемого объекта, целой системы или явления. При такой точке зрения модель должна строиться как уменьшенная модель «большой формы». Однако визуальная модель (графическая модель) объекта не должна содержать подробности оригинала, так как это приводит к перегрузке графического средства излишними информационными деталями.

Примеры выбора графической модели в зависимости от цели передачи информации

Грамотность выбора графического средства представления информации заключается в эффективности использования цели, которая лежит в основе передачи информации. В зависимости от цели передачи информация подразделяется следующим образом:

что? Это внешний и внутренний вид объекта, его физическое строение (рисунок 7). Под объектом понимается предмет, имеющий геометрическую форму и размеры. Внешний вид - это характеристики объекта с теми их особенностями, которые воспринимаются зрительно. При создании более реалистического изображения внешнего вида чаще всего используют различные виды перспективы, светотени. Фон может опускаться для придания большей выразительности основным физическим характеристикам;

Информация, отвечающая на вопросы как? когда? Это информация, касающаяся физического движения объекта (рисунок 9), логики, отношения общего движения объекта и движения его частей, функционирования объекта как последовательного ряда взаимосвязанных событий, а также информация, отображающая систему (рисунок 8). Процесс представляет собой ряд последовательных действий объекта. Графическими средствами эти действия очень трудно описать в их естественной активной форме, поэтому они отражаются в виде статических элементов (рисунок 10);

Информация, отвечающая на вопрос сколько? Это количественная сторона понятия об объектах, касающаяся их физических размеров, тенденции возрастания или уменьшения, соотношения частей с целым. В

качестве графических моделей чаще всего используются таблицы и различные виды диаграмм;

Информация, отвечающая на вопрос где? Это информация о расположении объекта в пространстве или по отношению к другим объекта.

Рисунок 7. Графическое представление формы и структуры объекта

Рисунок 8. Графическое представление системы «Движение»

Рисунок 9. Графическое представление процесса

Рисунок 10. Графическое представление информации «Система»

©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-11