Презентация по курсу: "Компьютерная графика"

Презентация по дисциплине: «Компьютерная графика»

Автор: Карась Юрий Аркадьевич,
преподаватель ГБОУПО «СТЭТ»

Предметом курса «Компьютерная графика» являются методы и средства создания и обработки графических изображений с помощью современных программно-аппаратных вычислительных комплексов.

Целью изучения дисциплины «Компьютерная графика» для студентов специальности «Информационные системы» дневной формы обучения является ознакомление с основами современной компьютерной графики, освоение базовых понятий и методов компьютерной графики, изучение популярных графических программ и инструментов, позволяющих выполнять действия от самых простых операций по созданию графических примитивов до обработки и создания сложных дизайнерских решений.

Компьютерная графика - область информатики, занимающаяся созданием, хранением и обработкой моделей и их изображений с помощью программно-аппаратных средств.

Компьютерная графика – использование вычислительной техники для создания графических изображений, их отображения различными средствами и манипулирования ими.

Отправной точкой развития компьютерной графики можно считать 1930 год, когда в США нашим соотечественником Владимиром Зворыкиным, работавшим в компании “Вестингхаус” (Westinghouse), была изобретена электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), впервые позволяющая получать изображения на экране без использования механических движущихся частей.

Это был один из первых цифровых электронных компьютеров, которые работали в режиме реального времени для вывода.

В конструкции использовалось примерно 5000 вакуумных трубок. Большое количество ламп, используемых в нём, привело к высокой частоте отказов, поскольку отказ одной трубки мог вызвать отказ все системы.

Так уже в 1939 году был представлен первый электронный телевизор для массового производства. Эта модель, RCS TT-5, была разработана в США в научно-исследовательской лаборатории RCA, возглавляемой Владимиром Зворыкиным, русским эмигрантом, и представляла собой большой деревянный ящик с экраном с диагональю 5 дюймов.

Первый Российский серийный электронный телевизор был создан на ленинградском заводе «Радист» в конце 1939 года и назывался ''17ТН-1''.

В Spacewar! участвуют двое игроков, каждый из которых управляет своим космическим кораблём. Они маневрируют в невесомости рядом с гравитационным колодцем звезды. В начале на борту каждого есть некоторый запас топлива для маневрирования и некоторое число торпед. Симуляция игрового мира базируется на ньютоновской физике — если игрок не предпринимает каких-либо действий, то корабли движутся по инерции. Если корабль сталкивается со звездой, другим кораблем или в него попадёт торпеда, то он погибает.
Изначально игра управлялась переключателями на самом PDP-1, но впоследствии Боб Сандерс придумал и создал ранний геймпад, что сделало управление более удобным и улучшило игровой процесс.

Spacewar! — одна из самых важных и влиятельных игр в ранней истории компьютерных игр. Она стала популярной в 1960-х годах настолько, что была установлена практически на всех компьютерах PDP-1. Создана Стивом Расселом

Одним из отцов-основателей компьютерной графики считается Айвен Сазерленд (Ivan Sotherland), который в 1962 году в МТИ создал программу компьютерной графики под названием “Блокнот” (Sketchpad) . Эта программа могла рисовать достаточно простые фигуры (точки, прямые, дуги окружностей), могла вращать фигуры на экране. Это первый векторный редактор, реализованный на компьютере..

Одним из отцов-основателей компьютерной графики считается Айвен Сазерленд

В 1965 году фирма IBM выпустила первый коммерческий графический терминал под названием IBM-2250

В 1968 году группой под руководством Н. Н. Константинова была создана компьютерная математическая модель движения кошки. Машина БЭСМ-4 . выполняя написанную программу решения дифференциальных уравнений, рисовала мультфильм «Кошечка», который для своего времени являлся прорывом. Для визуализации использовался алфавитно-цифровой принтер.

Мультфильм

В 1982 году на экраны кинотеатров вышел фильм “Трон” в котором впервые использовались кадры, синтезированные на компьютере

В 1984 году был выпущен первый Macintosh производства корпорации Apple с графическим интерфейсом пользователя.

Компьютерная графика работает с цифровыми изображениями. Это такие изображения, которые созданы с использованием компьютерной программы, либо изображения, преобразованные в электронную информацию для того, чтобы просматривать, редактировать и управлять ими на экране компьютера.
Цифровое изображение можно создать, например, с помощью сканера или цифрового фотоаппарата, а затем отредактировать в программе для обработки изображений. Существуют также специальные программы, позволяющие создавать цифровой рисунок с нуля.
Устройства, преобразующие графические изображения в цифровую форму, называются оцифровывающими (сканеры, цифровые фотоаппараты).

Базовым элементом является точка

Базовым элементом является линия

Базовым элементом является сама математическая формула

Ньютон, находясь у себя дома в темной комнате, приоткрыл окно и пустил маленькую полоску света. Поместив стеклянную призму по ходу лучика света, он обнаружил, что свет преломляется и разбивается на цвета, которые становились видимыми, когда попадали на прилегающую стену.

Несколько лет спустя другой английский физик - Томас Юнг провел обратный эксперимент и установил, что различные цвета можно свести к трем основным: зеленому, красному и синему. Затем он взял три лампы и спроецировал лучи света через фильтры этих трех цветов: зеленый, красный и синий лучи соединились в один белый луч.


Для формирования RGB-цвета используется 256 оттенков красного, 256 оттенков зеленого и 256 оттенков синего. Какое количество цветов может быть отображено на экране в этом случае?
256 х 256 х 256 = 16 777 216 цветов

Цвет в данной цветовой модели описывается тремя значениями в диапазоне от 0 до 255.
В трехмерной системе координат цветовую модель RGB можно представить в виде куба.
Вершины куба, располагающиеся на осях, отвечают красному, зеленому и синему цветам
Ближайшей к вам вершине куба уровни всех трех составляющих максимальны – это точка белого цвета (White) – 255, 255, 255;

Объем куба (кол-во цифровых цветов) = 256 3 256 256 3 3 256 3 =16 777 216

Так как все физические предметы отражают цвет, и бумага в том числе, то при печати проще считать, сколько отразилось света от поверхности. Поэтому модель CMYK называется субтрактивной (вычитающей).

Эта модель построена на смешении четырёх типографских красок: Cyan (голубой), Magenta (пурпурный), Yellow (жёлтый) и Key («ключевой» цвет — чёрный).
Диапазон цветов на печати гораздо более узкий, чем на современных мониторах компьютеров.
В модели CMYK вводится количество каждой краски от 0% до 100%.
Разные оттенки получаются из-за разных соотношений голубого, розового, жёлтого и черного цвета в их составе.
Белый цвет в модели CMYK — это отсутствие краски.

ЦВЕТОВОЙ ОХВАТ ЭТОЙ МОДЕЛИ НА 30-40% МЕНЬШЕ ЧЕМ У RGB !!!

В принтерах обычно используются четыре краски: голубая, пурпурная, жёлтая и чёрная, которые лежат в основе палитры CMYK.

И чтобы перенести цифровое изображение на печать, необходимо перевести его из одной цветовой модели в другую (из RGB в CMYK). Иначе какие-то оттенки могут исказиться до неузнаваемости, и яркие цвета скорее всего потускнеют.

Кроме того, не стоит забывать, что на конечный результат влияют и другие факторы. Например: чернила, качество бумаги и возможности принтера. Поэтому, чтобы избежать возможных проблем и ошибок при печати нужно проводить цветопробы.

Характеристики растрового изображения (цветовая модель)

Изображения в перцепционных моделях (модель lab):
любой цвет описывается координатами в трехмерном пространстве;
компонента L управляет яркостью цвета;
компонента A меняется от зеленого до пурпурного,
компонента B от синего до желтого

В их основу заложено раздельное определение яркости и цветности. Интуитивно понятный уровень

ДОСТОИНСТВА Lab :
широкая цветовая гамма,
возможность отдельно воздействовать на яркость, контраст изображения и на его цвет,
возможность избирательного воздействия на отдельные цвета в изображении,
ускоряется обработку изображений

Lab нашёл широкое применение в программном обеспечении для обработки изображений

H – цветовой оттенок;
S – насыщенность (характеризует чистоту цвета);
B – яркость (зависит от количества черной краски, добавленной к данному цвету).

HSB (от англ. hue-saturation-brightness) — это тон, насыщенность и яркость; более ориентированная на человека модель для описания цвета. 

+ согласуется с восприятием человека:

HSB

HUE, ТОН = «ЦВЕТ РАДУГИ»
Тон — это любая цифра от 0 до 360. Тон измеряется в градусах, как и окружность. Помните цветовой круг? Тон — это любое место на нём.

SATURATION, НАСЫЩЕННОСТЬ = «КРАСОЧНОСТЬ»
Насыщенность — это любая цифра между 0 и 100.

BRIGHTNESS, ЯРКОСТЬ = ЯРКОСТЬ
Яркость — это цифра от 0 до 100.
при яркости 0%, цвет становится чёрным, вне зависимости от тона и насыщенности.
при яркости 100%, цвет становится белым только при условии, что насыщенность также равна 0%. В противном случае, 100%-ная яркость это всего лишь... очень яркий цвет.

Цветовой охват означает диапазон цветов, который может быть представлен цветовой моделью устройства относительно цветов, воспринимаемых человеческим глазом.

Разными цветовыми охватами обладают электронно-лучевая трубка монитора и телевизора, полиграфические краски и глаз человека.
На рисунке показано сравнение цветовых охватов человеческого глаза (модель Lab), монитора (модель RGB) и печатной машины (модель CMYK) в плоскости.

DPI различных принтеров колеблется от 600 до 2400 DPI. Речь идёт о том, сколько капелек краски принтер может «наплевать» в пределах дюйма.

Если речь идет о свойствах сканера, то это обычно о том, сколько пикселей может получить сканер с одного дюйма сканируемого изображения. Эта величина в настоящее время примерно варьируется от 4800 dpi до 14000 dpi.

DPI

PPI обычно он относится к растровому файлу, чем в большинстве случаев оказывается фотография.

Это условное свойство картинки, параметр, сообщающий программе, принтеру и т.п., то, на сколько плотно вывести изображение, сколько пикселей на физический дюйм впихнуть.

PPI

SPI - сэмплы на дюйм, изначально придумали для характеристик сканеров, это то, на сколько кусочков (samples) сканер делит изображение в пределах одного дюйма. С каждого такого сэмпла сканер делает один пиксель на мониторе. Сейчас все пользуются вездесущим DPI для описания разрешения сканера.

SPI

SPI - сэмплы на дюйм, изначально придумали для характеристик сканеров, это то, на сколько кусочков (samples) сканер делит изображение в пределах одного дюйма. С каждого такого сэмпла сканер делает один пиксель на мониторе. Сейчас все пользуются вездесущим DPI для описания разрешения сканера.

SPI

Для кодирования одного пикселя черно-белого изображения необходим только один бит памяти (0- черный, 1 – белый)
Чтобы закодировать четыре цвета, нужно два бита памяти (22);
Если для хранения информации о цвете каждого пикселя отведено 4 бита, то есть возможность представить 16 цветов (24),
Увеличение объема памяти до 8 бит позволяет передать 256 цветов (28)
А СКОЛЬКО ЦВЕТОВЫХ ОТТЕНКОВ МОЖНО ЗАКОДИРОВАТЬ ПРИ ВЫДЕЛЕНИИ 24 БИТ НА ОДИН ПИКСЕЛЬ ?

- единица;

- ноль.

Количество битов, используемых для кодирования цвета точки, называют глубиной цвета.
Так, если размер изображения 150*350 пикселей, а глубина цвета – 8 бит, то размер графического файла, хранящего это изображения будет равен …

Растровое изображение – это файл данных или структура, представляющая прямоугольную сетку пикселей. 

Пиксель – наименьшая единица двухмерного цифрового изображения в растровой графике.

Пиксель представляет собой неделимый объект прямоугольной (обычно квадратной) формы, обладающий определённым цветом.

Растровые изображения очень чувствительны к увеличению и уменьшению. При уменьшении несколько соседних точек объединяются в одну, поэтому происходит потеря мелких деталей изображения.

При увеличении же изображения увеличивается размер каждой точки, что приводит к проявлению ступенчатого эффекта, особенно заметного на изогнутых линиях.

Итак, растровые изображения имеют ограниченные возможности при масштабировании, вращении и других преобразованиях.
При этом они отличаются большим информационным объемом
Но при наличии информационного пространства могут передавать изображения фотографического качества
При этом легко поддаются печатной обработке

ВЫВОД

Растровую графику применяют при разработке полиграфических изданий.

Иллюстрации, редко создают вручную с помощью компьютерных программ.

Чаще для этой цели используют сканированные изображения или фотографии.

Применяются цифровые фото- и видео камеры.

Растровые графические редакторы ориентированы не столько на создание изображений, сколько на их обработку.

Наиболее известные растровые редакторы:

Adobe Photoshop – самый популярный коммерческий
редактор;
Corel Photo-Paint;
GIMP – самый популярный свободный бесплатный редактор;
Microsoft Paint;

Менее известные растровые редакторы:
KolourPaint;
Tux Paint – ориентирован на детей от 3-х лет;
Paint.NET

Сжатие без потерь:

GIF (Graphics Interchange Format) – формат для обмена изображениями, хранения графических изображений.

Формат GIF способен хранить сжатые без потерь изображения в формате до 256 цветов, и предназначен, в основном, для чертежей, графиков и т. д.

Независящий от аппаратного обеспечения формат GIF был разработан в 1987 году для передачи растровых изображений по сетям.

В 1989-м формат был модифицирован, были добавлены поддержка прозрачности и анимации. GIF хорошо сжимает файлы, в которых много однородных заливок (логотипы, надписи, схемы).

GIF широко используется на страницах Всемирной Паутины.

Анимированные изображения

Формат GIF поддерживает анимационные изображения.
Фрагменты представляют собой последовательности нескольких статичных кадров, а также информацию о том, сколько времени каждый кадр будет показан на экране.

Анимация может быть закольцована, тогда после последнего кадра будет вновь показан первый и так далее.

PNG (Portable Network Graphics) – растровый формат хранения графической информации, использующий сжатие без потерь.

PNG был создан как для улучшения, так и для замены формата GIF графическим форматом, не требующим лицензии для использования.

Днём рождения PNG можно считать 4 января 1995 года, когда предложено было создать свободный формат, который был бы не хуже GIF.

Формат PNG хранит графическую информацию в сжатом виде. Причём это сжатие производится без потерь. Формат PNG спроектирован для замены устаревшего и более простого формата GIF, а также, для замены значительно более сложного формата TIFF. Формат PNG позиционируется, прежде всего, для использования в сети Интернет и редактирования графики.

PNG имеет главное достоинство перед GIF:

Практически неограниченное количество цветов в изображении
(GIF использует в лучшем случае 8-битный цвет).

PNG имеет недостаток перед GIF:

Существует одна особенность GIF, которая в PNG не реализована – поддержка множественного изображения;
PNG изначально был предназначен лишь для хранения одного изображения в одном файле.

Для передачи анимированных изображений был разработан расширенный формат MNG, опубликованный в середине 1999 года.

BMP (Bitmap – битовая карта) – формат хранения растровых изображений. Обычно используется без сжатия.
С форматом BMP работает огромное количество программ, так как его поддержка интегрирована в операционные системы Windows.

Файлы формата BMP могут иметь расширения .bmp.

Глубина цвета в данном формате может быть от 1 до 48 бит на пиксель, максимальные габариты изображения 65535 на 65535 пикселей.

В формате BMP есть поддержка сжатия но, несмотря на это, из-за большого объёма он редко используется в Интернете.

Сжатие с потерями
JPEG (Joint Photographic Experts Group – Объединённая группа экспертов в области фотографии) – является широкоиспользуемым методом сжатия фотоизображений. Формат файла, который содержит сжатые данные, обычно, также называют именем JPEG; наиболее распространённые расширения для таких файлов .jpeg, .jpg.
Алгоритм JPEG является алгоритмом сжатия с потерей качества.
При сохранении JPEG-файла можно указать степень сжатия, которую обычно задают в некоторых условных единицах, например, от 1 до 100 или от 1 до 10.
Большее число соответствует лучшему качеству, но при этом увеличивается размер файла.

Формат TIFF (с англ. Tagged Image File Format) представляет из себя формат, содержащий растровые графические изображения. Применяется такой формат файла в процессе сканирования, а также распознавания текста.

Файл расширением .tiff создан для хранения изображений с графикой высокого качества, что является его явным преимуществом. Чтобы открыть файл TIFF, не требуется наличие специализированного программного обеспечения.

Имеется возможность сохранять изображение в файле формата TIFF со сжатием и без сжатия. Степени сжатия зависят от особенностей самого сохраняемого изображения, а также от используемого алгоритма.

В зависимости от количества представляемых цветов, на каждую точку отводится от
1 до 48 битов:
1 бит – монохромное изображение (два цвета);
2 бита – редко используемый формат с 4 возможными цветами;
4 бита – 16 цветное изображение, один из режимов работы VGA;
8 бит (1 байт) – 256 цветов;
16 бит (2 байта) – режим Hi Color, 65536 возможных оттенков;
24 бита (3 байта) – True Color. Общее количество цветов равно 16777216;
32 бита (4 байта) – этот режим практически аналогичен True Color, четвёртый байт обычно используется для хранения альфа-канала (прозрачности) или для выравнивания;
48 бит (6 байт) – редко используемый формат с повышенной точностью передачи цвета, поддерживается относительно малым количеством программ и оборудования;

Цветовые оттенки





4=22
Кодируется в 2 бита

Количество используемых цветов – 22.
Графическая сетка 1240х1024.
Каков объем файла?

где V — объем файла , k — количество пикселей , i — глубина цвета
K=1240x1024; i=2
V=(1240x1024x2бит)/8=…..байт

16 777 216=224
кодируется в 24 бита

Цветовые оттенки

Количество используемых цветов составляет 16 777216
Графическая сетка 1240х1024.
Каков объем файла?

Предназначена для создания иллюстраций с применением шрифтов и простейших геометрических объектов

Элементами векторного изображения являются геометрические объекты или примитивы, в качестве которых принимаются такие простые фигуры, как: прямоугольник, окружность, эллипс, линия, поэтому векторная графика называется объектно-ориентированной.
Каждому примитиву можно назначить определенные атрибуты (свойства) - толщину и цвет линии, разнообразные цветовые заливки.

Программные средства для работы с векторной графикой предназначены, в первую очередь, для создания иллюстраций и в меньшей степень для их обработки. Такие средства широко используют в рекламных агентствах, дизайнерских бюро редакциях и издательствах.

Свободное ПО:
Inkscape;
OpenOffice.org Draw;
Xara Xtreme for Linux.
Коммерческое ПО:
Adobe Illustrator;
CorelDRAW;

Два  метода перевода изображения из растра в вектор:
трассировка — процесс когда, компьютер чертит предполагаемые векторы;
ручная отрисовка — очень трудоемкий процесс.

ai Векторный формат файлов, создаваемых программой Adobe Illustrator. Формат ai каждой новой версии несовместим с более старыми версиями. Формат обеспечивает очень высокое качество рисунков, но по ряду параметров плохо совместим с другими программами (например, различные эффекты Adobe Illustrator и градиентная заливка могут не передаваться в другие форматы).
cdr Векторный формат файлов, создаваемых программой CorelDraw. Формат cdr каждой новой версии несовместим с более старыми версиями. Формат обеспечивает очень высокое качество рисунков, но по ряду параметров плохо совместим с другими программами (например, различные эффекты CorelDraw и градиентная заливка могут не передаваться в другие форматы).
eps (Encapsulated PostScrip). Формат EPS был создан компанией Adobe. Относительно универсальный векторный формат файлов, поддерживаемый большинством векторных редакторов — CorelDraw, Adobe Illustrator и различными узкоспециализированными программами (для плоттерной резки, гравировки, выжигания на дереве и т.д.). Формат обеспечивает очень высокое качество рисунков.
svg Сокращение от англ. Scalable Vector Graphics. Является открытым стандартом, т.е. в отличие от большинства других форматов, SVG не является чьей-либо собственностью. Предназначенный для описания двухмерной векторной графики. Формат поддерживается многими веб-браузерами и может быть использован при оформлении веб-страниц. К сожалению, формат не обеспечивается высокого качества в отношении сложных рисунков и имеет ограничения по сфере своего использования.
wmf Windows Metafile — графический формат файла в системе Microsoft Windows. Универсальный векторный формат, поддерживаемый большинством векторных редакторов. К сожалению, формат не обеспечивает высокое качество для сложных рисунков и имеет очень ограниченное число поддерживаемых эффектов, поэтому для профессионального использования не подходит и используется преимущественно частными пользователями. Формат поддерживается рядом веб-браузеров и может быть использован при оформлении веб-страниц.

CDR - основной внутренний формат программы Corel DRAW (внутренний - это означает, что данный формат используется только программой Corel DRAW и никакой больше);
PCT - векторный формат, используемый на компьютерах Apple Macintosh в операционных системах Mac;
AI - внутренний формат файла для программы Adobe Illustrator;
EPS (Encapsulated PostScript). Формат описания как векторных, так и растровых изображений на языке PostScript фирмы Adobe, фактическом стандарте в области допечатных процессов и полиграфии (расширение имени файла .EPS). Так как язык PostScript является универсальным, в файле могут одновременно храниться векторная и растровая графика, шрифты, контуры обтравки (маски), параметры калибровки оборудования, цветовые профили. 

Сравнительная характеристика растровой и векторной графики

В зависимости от того, способен ли шрифт без потери качества принимать любой необходимый размер, шрифты можно разделить на масштабируемые (scalable) и немасштабируемые (nonscalable).
Масштабируемые шрифты называют также векторными. 
Немасштабируемые шрифты называют еще растровыми.


Векторные шрифты отличаются тем, что могут принимать любой размер. И наоборот, растровые шрифты проектируются на определенный кегль (размер).
Поэтому растровые шрифты обычно искажаются при увеличении или уменьшении кегля, то есть на диагональных линиях появляются зазубрины, а кривые изображаются ломаными линиями.

Примеры растровых шрифтов – Courier, MS Sans Serif, MS Serif, Symbol.
Например, заглавная буква I задается как столбец из 12 точек и двух перекладин из 6 точек каждая.

Векторные шрифты содержат символы, каждый их которых имеет математическое описание, точнее, представляется в виде набора отрезков (векторов).
Масштабирование векторного шрифта производится простым умножением имеющихся координат на необходимый множитель.

В ряде случаев возможно преобразование растровых изображений в векторные . Этот процесс называется трассировкой. Программа трассировки растровых изображений отыскивает группы пикселей с одинаковым цветом, а затем создаёт соответствующие им векторные объекты. Однако получаемые результаты чаще всего нуждаются в дополнительной обработке.

Фрактал Fractal От лат.Fractus - состоящий из фрагментов
Фрактал - объект, имеющий разветвленную структуру. Части фрактала подобны всему объекту. Фракталы используются в компьютерной графике для создания сложных графических объектов.


Создаются фрактальные шедевры путем математических расчетов, но в отличие от векторной графики базовым элементом фрактальной графики является сама математическая формула - это означает, что никаких объектов в памяти компьютера не хранится, и изображение (как бы ни было оно замысловато) строится исключительно на основе уравнений.

Фрактал — термин, введённый Бенуа Мандельбротом в 1975 году для обозначения самоподобных множеств.

Основной элемент- математическая формула.

Аналоги:
Снежинка, кристалл.

Фрактус – состоящий из фрагментов

Основное свойство фракталов - самоподобие.
В простейшем случае часть фрактала представляет собой просто уменьшенный целый фрактал.
Отсюда основной рецепт построения фракталов: возьми простой мотив и повторяй его, постоянно уменьшая размеры. В конце концов выйдет структура, воспроизводящая этот мотив во всех масштабах, - бесконечная лестница вглубь.

Построение фракталов

1. Постройте обычный равносторонний треугольник.
2. Разделите каждую из его сторон на три отрезка.
3. На среднем отрезке стороны постройте равносторонний треугольник со стороной, равной 1/3 стороны исходного треугольника, а на других отрезках постройте равносторонние треугольники со стороной, равной 1/9.
4. С полученными треугольниками повторите те же операции. Вскоре вы увидите, что треугольники последующих поколений наследуют свойства своих родительских фрактальных структур.
5. Так рождается фрактальная фигура.

Ultra Fractal — пожалуй, самая мощная программа, предназначенная для создания и анимации изображений по фрактальному алгоритму;
Fractal Explorer — одна из лучших на сегодняшний день программ для создания изображений фракталов;
XaoS — многоплатформенный генератор фракталов, позволяет приближать и удалять картинку в реальном времени;
Fractint — очень мощная многоплатформенная программа, развитие которой, к сожалению, давно остановилось;
Chaoscope — программа трёхмерной визуализации странных аттракторов;

Фрактальная графика

Можно построить весьма правдоподобный фрактальный рельеф местности и покрыть её очень симпатичным лесом.

Большинство текстур местности в современных компьютерных играх представляют фракталы.

ЗАДАНИЕ:
Постройте в тетради свой фрактал

Трёхмерная графика - компьютерная графика создаваемая с помощью изображений, имеющих длину, ширину и глубину.

моделирование — создание трёхмерных моделей объектов
текстурирование (раскраска) — наложение на модели рисунков (текстур), имитирующих материал
освещение — установка и настройка источников света
анимация — описание изменения объектов во времени (изменение положения, углов поворота, свойств)
съемка — установка камер (выбор точек съёмки), перемещение камер по сцене
рендеринг (визуализация) — построение фотореалистичного изображения или анимации

На этом этапе математическая (векторная) пространственная модель превращается в плоскую (растровую) картинку. Если требуется создать фильм, то рендерится последовательность таких картинок — кадров.
Таким образом рендеринг преобразует трёхмерную векторную структуру данных в плоскую матрицу пикселов. Этот шаг часто требует очень сложных вычислений, особенно если требуется создать иллюзию реальности.
Самый простой вид рендеринга — это построить контуры моделей на экране компьютера с помощью проекции.
Для этого нужно создать иллюзию материалов, из которых изготовлены объекты, а также рассчитать искажения этих объектов за счёт прозрачных сред (например, жидкости в стакане).

Виды трехмерной графики

Полигональная графика

Объект задается набором полигонов. Полигон - это плоский многоугольник. Каждый полигон задается набором точек. 3-мерный объект задается как массив или структура полигонов.

Полигональная графика

объекты задаются аналитически, т.е. формулами.
Например: шар радиуса r
с центром в точке (x0,y0,z0 ):
(x-x0)2 +(y-y0)2 +(z-z0)2 =r2

САПР – системы автоматизированного проектирования




компьютерные тренажеры и обучающие программы

построение трёхмерных моделей в науке, промышленности, медицине




дизайн зданий и интерьера





компьютерные эффекты в кино и телевидении
телевизионная реклама
интерактивные игры

3ds MAX (www.autodesk.com)
Maya (www.autodesk.com)
AutoCAD (www.autodesk.com)
Cinema4D (www.maxon.net)
Blender (www.blender.org) – свободное ПО, версии для Windows, Linux, Mac OS и др.

Требования к компьютеру:

мощный процессор
оперативная память
дисковая память

Arnold – это программа, предназначенная для рендеринга самых разных объектов.
Она будет полезна профессиональным аниматорам и студиям, занимающимся обработкой видео с добавлением визуальных эффектов и создающим анимационные ролики.
Это автономное средство визуализации быстро и эффективно добавит все необходимые спецэффекты, не занимая при этом много памяти ПК и не перегружая процессор. Утилита создана на основе C++, это позволит программистам грамотно интегрировать ее во внешние приложения, чтобы создавать и применять в своей работе пользовательские фильтры, шейдеры и 3D эффекты.

Autodesk 3dsMax — профессиональное программное обеспечение для 3D-моделирования, анимации и визуализации при создании игр и проектировании. В настоящее время разрабатывается и издается компанией Autodesk. Программа доступна по подписке от одного месяца до трёх лет для коммерческих целей. 

Autodesk Maya — редактор трёхмерной графики, доступный на Windows, macOS и Linux. Maya обладает широкой функциональностью 3D-анимации, моделирования и визуализации. Программу используют для создания анимации, сред, графики движения, виртуальной реальности и персонажей.

Cinema 4D или сокращённо C4D фирмы Maxon является пакетом для создания трёхмерной графики и анимации.
Cinema 4D является универсальной комплексной программой для создания и редактирования двух- и трехмерных эффектов и объектов. Позволяет рендерить объекты по методу Гуро.

Blender — профессиональное свободное и открытое программное обеспечение для создания трёхмерной компьютерной графики, включающее в себя средства моделирования, скульптинга, анимации, симуляции, рендеринга, постобработки и монтажа видео со звуком, компоновки с помощью «узлов» (Node Compositing), а также создания 2D-анимаций. В настоящее время пользуется большой популярностью среди бесплатных 3D-редакторов в связи с его быстрым стабильным развитием и технической поддержкой.

Google SketchUp – программа для моделирования относительно простых трехмерных объектов – строений, мебели, интерьера.

Terragen – генератор ландшафтов, который позволяет моделировать реальный мир.

Облака, положение солнца, поверхность суши или гладь моря – вот составляющие, благодаря которым строятся картины с помощью таких специализированных пакетов .
Ты сам только контролируешь время суток, рельеф местности или направление ветра, а программа воспроизводит обстановку, которая бы сложилась в реальном мире при данных погодных условиях.

TrueSpace – это полный графический пакет для 3D моделирования анимации, текстурирования, освещения и рендеринга.
TrueSpace позволяет в считанные минуты анимировать персонажей и физические явления. К примеру, 1000 фреймов могут быть отрендерены в режиме реального времени за пару минут. Программа просчитывает анимацию и визуализирует смоделированные сцены с реалистичным освещением.

Системы Автоматизированного Проектирования (САПР) или по-английски CAD (Computer-Aided Design) применяют для создания 3d моделей в первую очередь промышленного назначения. Они предназначены для создания точных копий реальных объектов.

AutoCAD — двух- и трёхмерная система автоматизированного проектирования и черчения, разработанная компанией Autodesk. Первая версия системы была выпущена в 1982 году. AutoCAD и специализированные приложения на его основе нашли широкое применение в машиностроении, строительстве, архитектуре и других отраслях промышленности. Программа выпускается на 18 языках. Уровень локализации варьирует от полной адаптации до перевода только справочной документации. Русскоязычная версия локализована полностью, включая интерфейс командной строки и всю документацию, кроме руководства по программированию.

Autodesk Maya — редактор трёхмерной графики, доступный на Windows, macOS и Linux.
Maya обладает широкой функциональностью 3D-анимации.

Создание 3-D мультфильмов в программе MAYA

Векторным графическим редактором для дизайна является Corel Draw; Inkscape
Векторным графическим редактором для технического черчения является AutoCAD;
Векторным графическим редактором для строительного черчения является ArchiCAD;
Векторным графическим редактором для 3D моделирования и анимации 3D Studio Max;
Растровым графическим редактором для обработки художественных фотографий является Gimp; Photoshop

Для создания векторных изображений WORD. Графический редактор, встроенный в Word, позволяет создавать произвольные фигуры, менять их размер и форму, задавать толщину и цвет линий контура и закрашивать внутреннюю область фигур различными способами.

Растровые графические редакторы служат для создания и редактирования растровых рисунков, т.е. рисунков, состоящих из отдельных пикселей.

ИНТЕРФЕЙС ФОТОШОП

ИНТЕРФЕЙС ГИМП

GIMP

Создание новых файлов
В GIMP вы можете создать новое изображение при помощи пункта меню: Файл → Новый. При этом покажется диалог Создать новое изображение, где можно установить начальные ширину и высоту файла.

Открытие файлов
Существует несколько способов открыть существующее изображение в GIMP:
1. Открыть файл
Наиболее очевидный - это открыть его с помощью меню Файл → Открыть в меню панели инструментов или изображения.
2. Перетащить и бросить
Если пиктограмму перетащить на существующее изображение в GIMP, то файл добавится как новый слой или слои этого изображения.
3. Скопировать и вставить
Некоторые приложение позволяют копировать изображение в буфер, подобно клавише Print Screen. Тогда это изображение можно открыть в GIMP через меню панели инструментов Файл → Получить → Вставить как новое.

Удобно представлять изображение в GIMP как пачку прозрачных листов: В терминологии GIMP, каждый прозрачный лист носит название слой. Структура слоёв в изображении показана в диалоге "Слои", который является вторым по важности диалоговым окном после панели инструментов. Каждое открытое изображение всегда содержит один активный холст (по существу, "холст" это всё, на чём можно рисовать инструментами рисования).

Инструмент свободного выделения, или Лассо, позволяет создавать выделения простым движением курсора по изображению с помощью левой кнопки мышки, после отпускания мышки, контур закрывается, соединяя активную точку с начальной.
Лассо используется для создания приблизительного выделения.

Инструмент выделение связанной области (Волшебная палочка) выделяет области активного слоя или изображения по признаку схожести цветов.
Начинается в одной выбранной точке и растекается от этой точки во все стороны, выделяя точки с приблизительно теми же цветами, что и у начальной точки. Степень схожести регулируется.
Волшебная палочка подходит для выделения объектов с резкими краями.

Инструмент выделения по цвету выделяет области с похожим цветом. Он работает подобно выделению связанной области с той разницей, что инструмент «Выделение связанной области» выделяет связанную область, а этот инструмент может выделить много несоприкасающихся областей подобного цвета.

При пользовании инструментом, вы создаёте серию контрольных точек по краям области, которую вы хотите выделить. Инструмент затем создаёт сплошную кривую, которая следует любому контрастному краю, который найдёт. При некоторой удаче, эта кривая и выделит ту область, которую вы хотели выделить.

Этот инструмент заполняет выделенную область градиентом от цвета переднего плана до цвета фона по умолчанию, на это поведение можно изменить. Чтобы создать переход, двиньте курсор в желаемом направлении и отпустите кнопку мышки, когда достигнуты нужный размер и положение. Мягкость перехода зависит от расстояния смещения курсора. Чем короче смещение, тем резче переход.
Есть различные формы градиента

Этот инструмент заполняет выделение текущим цветом переднего плана.

Инструмент кадрирования используется для отрезания частей изображения или слоя. Этот инструмент обычно используется для удаления краёв или ненужных областей для работы над главными частями изображения.
Он также полезен, когда нужно получить изображение определённого размера.
Для использования инструмента нажмите внутри изображения и определите передвижением мышки прямоугольную область до отпускания кнопки.

Инструмент перспективы используется для изменения перспективы активного слоя, выделения или контура. Щелчок инструментом по изображению приводит к появлению прямоугольной рамки или сетки вокруг выделения (или вокруг всего изображения, если нет выделения) с ручками по углам. Двигая ручки, вы меняете перспективу. Перемещение окружности в центре позволяет изменить центр перспективы.

Чтобы штамповать из изображения, необходимо указать GIMP изображение источника. Это делается нажатием на нужное изображение, держа клавишу Ctrl.

Одно из главных назначений- исправление областей в цифровых фотографиях с помощью заполнения этих областей данными из других.

Можно штамповать из любого рисуемого объекта (слой, маска слоя, канал) в любой другой.

Лечебная кисть очень похожа на Штамп, но гораздо лучше него справляется с удалением разных дефектов изображения. Типичный пример использования инструмента для фотографий — разглаживание морщин на лицах. Для этого клонируемая область штампуется не как есть, а с учётом пикселов, окружающих место назначения.

Чтобы его использовать, выберите сначала кисть с размером, подходящим к размеру дефекта. Затем, удерживая клавишу Ctrl, нажмите на области, которую нужно воспроизвести. Отпустите Ctrl и перетащите образец на дефект. 

Клавиша Ctrl используется для выбора источника

Инструмент Размывание использует активную кисть для локального размывания или увеличения резкости в изображении. Размывание полезно, когда некоторые элементы изображение сильно выделяются, и их необходимо смягчить. Для размывание всего слоя или большой его части, то лучше использовать один из фильтров размывания.

Инструмент осветления/затемнения использует активную кисть для осветления или затемнения цветов изображения. Параметр режима определяет, как инструмент влияет на точки.

Инструмент Кривые (ЦВЕТ/КРИВЫЕ) − один из самых мощных инструментов по цветокоррекции и настройке тональности изображения.
График указывает отношение исходной яркости (входная яркость) к новому значению цвета (выходная яркость). Так как никаких изменений не проводилось, эти величины равны и график является линейным с наклоном в 45 градусов.

Для осветления изображения надо переместить средние значения кривой в область светлых тонов.

Для осветления темных участков изображения надо переместить участок кривой, отвечающий за темные цвета, в область светлых тонов, а остальную часть оставить как есть.

Для всех программ компьютерной графики применяются общие понятия:
Холст – область, в которой можно разместить изображение.Изображение – то, что можно разместить на холсте.Выделение - это механизм, позволяющий применить фиксирование части или всего изображения. Граница выделения отображается движущейся пунктирной линией (муравьиная дорожка) и отделяет выделенную часть от невыделенной.Слой – это объект, объединяющий элементы изображения в группы и позволяющий производить групповые операции над выбранными объектами. Слой предназначен для группирования объектов и сохранения созданной группы в изображении. Простейшее изображение содержит один слой. Слои могут быть прозрачными, поэтому при просмотре изображения обычно видны несколько или все слои.

ЗАПОМНИ!!!
Текущий слой – слой, в данный момент выделенный в палитре «Слои», единственный, который можно редактировать. Порядок слоев можно менять; слои прозрачны в местах, где нет изображения.Каналы – это наиболее маленький уровень разделения списка слоёв, из которых создаётся изображение. Каждый канал имеет тот же размер, что и слой, и состоит из тех же пикселей. Каждый пиксель является контейнером, содержащим значение от 0 до 255. Смысл этого значения зависит от типа канала, например, в модели RGB значение канала R показывает количество красного, добавляемого к другим цветам пикселя. Значение пикселя в канале выделения показывает, насколько жёстко пиксели выделяются. На альфа-канале значение пикселей указывает на то, насколько они прозрачны.

Маска слоя — это специфический метод, применяемый в таких графических редакторах, как GIMP, Illustrator и Photoshop.

Маска слоя позволяет скрыть часть слоя, на котором эта маска находится. Если ниже слоя ничего нет, там, где маска скрывает слой, Вы увидите прозрачные пиксели. В противном случае Вы увидите нижележащий слой.

Маска в Фотошопе или Гимпе— то же самое, что маска на человеке. Вы можете видеть то, что не закрыто маской. Это замечательный способ не разрушая само изображение стирать (прятать) его части! Вы на самом деле не удаляете изображение, а скрываете его. Это значит, что изменяя цвет кисти с черного на белый можно снова вернуть то, что было спрятано.

БЫСТРАЯ МАСКА:
SHIFT+Q (Выделение/Переключить быструю маску)
В ситуациях, когда необходимо создать сложное выделение, инструменты
выделения порой показывают свою ограниченность. В этих случаях использование
быстрой маски может заметно упростить работу. Быстрая маска
позволяет вам просто рисовать выделение вместо вычерчивания его контуров.
Рисование белым выделит зарисованные пикселы. Рисование чёрным уберёт
выделение с зарисованных пикселей.

Фильтры – это встроенные в основную программу программные модули преобразования изображения для создания различных эффектов.

Фильтры можно скачивать в интернете и добавлять к программе.

Самостоятельно рассмотреть, какие фильтры есть в графическом редакторе Gimp.

Альфа канал

Показать пример удаления фона на яблоке в Gimp.

Одна из наилучших вещей в GIMP это возможность легко расширить его функциональность с помощью использования плагинов. Плагины GIMP являются внешними программами, которые запускаются под контролем основной программы и очень тесно с ней взаимодействуют. Плагины могут обрабатывать изображения почти любыми методами, также, как могут пользователи. Множество ценных плагинов, написанных на C, содержат всего около 100-200 строк исходного кода.
Некоторые плагины включены в основную поставку GIMP и устанавливаются автоматически вместе с ним. Большинство из них может быть доступно через меню Фильтры (фактически всё, что доступно в этом меню, является плагинами).

В большинстве случаев вы можете использовать плагин также, как и любой другой инструмент GIMP'a, без необходимости осознания того, что это плагин.

Обработка растровой графики сводится к изменению цвета точек изображения целиком или его отдельной области.
Возможности обработки растровых изображений:
• кадрирование – вырез необходимой части изображения;• коллажирование – соединение нескольких изображений друг с другом, внесение деталей одних изображений в др., добавление текста и пр.;• ретуширование – устранение дефектов изображения;• трансформация, деформация (возможна потеря в качестве), зеркальное отображение, разворот;• изменение цвета, тона, контраста, насыщенности всего изображения или его частей;• специальная обработка– фильтры, эффекты, наложения текстур, теней, подсветка и пр.

Ретушь фотографий – это их обработка с целью устранения дефектов. Дефекты могут быть разные – трещины, пятна, царапины, красные глаза, вуаль, неправильная экспозиция и др.

яркость

Бесплатные

DrawPlus Starter Edition
OpenOffice.org Draw Xara Xtreme for Linux

Платные

Adobe Illustrator
CorelDRAW

это профессиональный векторный графический редактор для Windows, Mac OS X и Linux. Он бесплатен и имеет открытый исходный код.

Inkscape

гибкие инструменты для рисованиясовместимость со многими форматами файловмощный инструмент для работы с текстомкривые Безье

Отдельного внимания заслуживают такие возможности, как преобразование растровых изображений в векторные и поддержка файлов Illustrator.

Inkscape (Инкскейп) — свободно распространяемый векторный графический редактор, удобен для создания как художественных, так и технических иллюстраций (вплоть до использования в качестве САПР общего назначения). Формат SVG позволяет создавать иллюстрации различного типа, в том числе анимированные. 

Что такое SVG?

SVG (Scalable Vector Graphics standard, стандарт масштабируемой векторной графики) - Технология позволяет объединить вместе текст, графику, анимацию и интерактивные компоненты.

SVG - это свободный векторный формат, векторный формат для всех.

Импорт: SVG, SVGZ, PDF, CorelDRAW, PNG, TIFF, JPEG, GIF, BMP, WMF, PCX.

Экспорт: PNG, SVG, PDF 1.4 (с полупрозрачностью), OpenDocument Draw.

Закон векторной графики

Выдели объект
и только потом выполняй над ним преобразования!!!

- инструмент выделения объектов

Выделить объект.
Выполнить команду Объект/Дублировать (Ctrl+D).

Выделить объект.
Установить курсор на одном из боковых маркеров.
Перемещать мышь при нажатой кнопке.

Дважды щелкнуть на объекте.
Установить курсор на одном из угловых маркеров.
Перемещать мышь при нажатой кнопке.

Дважды щелкнуть на объекте.
Установить курсор на одном из боковых маркеров.
Перемещать мышь при нажатой кнопке.

1. Выделить объект.
2. Выполнить команду:
Объект/Отразить горизонтально;
(Объект/Отразить вертикально).

Выделить объекты (щелкнуть на объекте при нажатой клавише Shift).
Выполнить команду: Объект/Выровнять расставить.
В диалоговом окне указать способ выравнивания, например – по нижнему краю.

Выделить объекты.
Выполнить команду: Объект/Расставить по сетке.
В диалоговом окне указать число строк и столбцов.
Нажать кнопку Применить.

Выделить объект.
Выполнить команду Объект/Поднять (PgUp) или
Объект/Опустить (PgDn).

Ключевым моментом векторной графики является то, что она использует комбинацию компьютерных команд и математических формул для объекта.
Это позволяет компьютерным устройствам вычислять и помещать в нужном месте реальные точки при рисовании этих объектов.
Для задания точек в векторной графике имеются системы координат.

Векторная графика создает изображения с использованием примитивов (простых геометрических объектов – прямых и кривых линий, окружностей многогранников), а также параметров, описывающих цвета и расположение.
Базовым элементом в векторной графике является линия.
Линия описывается математически как единый объект, и потому объем данных для отображения объекта средствами векторной графики существенно меньше, чем в растровой графике.Линия, как и другие примитивы, обладает свойствами: формой (прямая, кривая), толщиной, цветом, начертанием (сплошная, пунктирная).
Замкнутые линии приобретают свойство заполнения.
Охватываемое ими пространство может быть заполнено другими объектами (текстуры, карты) или выбранным цветом.

Элементарным геометрическим объектом является Точка.

Простейшая незамкнутая линия ограничена двумя точками, именуемыми узлами. 
Все прочие примитивы векторной графики составляются из линий. Например, куб можно составить из шести связанных прямоугольников, каждый из которых, в свою очередь, образован четырьмя связанными линиями. Можно представить куб и как двенадцать связанных линий, образующих ребра.

Охватываемое контурами пространство может быть заполнено другими объектами (текстуры, карты) или выбранным цветом.Существует несколько типов заливки:- заливка основным цветом (внутренняя область контура закрашивается одним избранным цветом);- градиентная заливка (в качестве параметров заливки назначаются два цвета и выбирается метод плавного перехода одного цвета в другой);- текстурная заливка (внутренняя область контура покрывается одним узором с регулярной структурой);- заливка изображением-картой (в качестве параметра выступает адрес файла растрового изображения, которое используется в качестве заполнителя). Такое растровое изображение называют картой (bitmap).


Слой — это компьютерная метафора материального объекта — листа прозрачной кальки (или пленки).
В различных векторных редакторах слои могут использоваться по-разному. Например, в CorelDRAW каждый новый объект изображается на новом слое.
В системах конструкторской графики объекты могут быть размещены, как на одном, так и на разных слоях. Каждый слой может иметь свои атрибуты, например, имя, цвет, тип линии, толщина линии.
Слои можно создавать, удалять, включать и выключать, замораживать, переносить объекты со слоя на слой, объединять слои.
Часто на отдельные слои помещают объекты, которые необходимо отредактировать не задевая другие объекты, которые не нуждаются в редактировании.
В векторных редакторах можно в % изменять прозрачность слоя.

Одним из самых простых алгоритмов сжатия без потерь является алгоритм RLE (Run Length Encoding – групповое кодирование). Сжатие в RLE происходит за счет того, что в исходном изображении встречаются цепочки одинаковых байт, которые можно экономно кодировать.

Алгоритм LZW (от фамилий авторов Lempel – Ziv – Welch) является более сложным и универсальным алгоритмом (по отношению к RLE), сжимающим изображения за счет поиска, выделения и кодирования одинаковых блоков символов в общем потоке, а не отдельных символов. Этим блокам присваиваются имена(числовые коды)

Один из наиболее распространенных на сегодня алгоритмов сжатия изображений – JPEG.
Объединенная группа экспертов в области фотографии (The Joint Photographic Experts Group – JPEG) в 1993 г. разработала международный стандарт JPEG для сжатия полноцветных (24-битовых) изображений.
Характеристики алгоритма JPEG:Степень сжатия 2-200 (Задается пользователем).Класс изображений: Полноцветные 24 битные изображения или изображения в градациях серого без резких переходов цветов (фотографии).Характерные особенности: В некоторых случаях, алгоритм создает "ореол" вокруг резких горизонтальных и вертикальных границ в изображении. Кроме того, при высокой степени сжатия изображение распадается на блоки.

JPEG 2000 (или jp2) — алгоритм сжатия, который вместо дискретного косинусного преобразования, применяемого в формате JPEG, использует технологию вейвлет-преобразования, основывающуюся на представлении сигнала в виде суперпозиции базовых функций.
В результате такой компрессии изображение получается более гладким и чётким, а размер файла по сравнению с JPEG при одинаковом качестве оказывается меньшим. 

Алгоритм DjVu (от франц. déjà vu – уже виденное) реализует сжатие изображений с потерями.
Он разработан специально для сжатия отсканированных документов (книг, журналов, рукописей и т. п.), где обилие формул, схем, рисунков и рукописных символов делает трудоемким их полноценное распознавание.
Также данный алгоритм является эффективным, если необходимо передать: все нюансы оформления, например исторических документов, где важное значение имеют содержание, цвет и фактура бумаги; дефекты пергамента (трещинки, следы от складывания); исправления, кляксы, отпечатки пальцев, следы, оставленные другими предметами и т. д.

В типичной книге с черно-белыми иллюстрациями, отсканированной с разрешением 600 dpi, средний размер страницы составляет около 15 КБ, т. е. приблизительно в 100 раз меньше, чем объем исходного изображения.
При наличии сложного заднего плана выигрыш объема составляет обычно 4–10 раз. В DjVu используется сжатие данных с потерями, поэтому для особо важных документов применяются алгоритмы сжатия без потерь: PNG, JPEG 2000, TIFF и т. п.

Задание № 1.
С помощью инструмента «Штамп» убрать одного из мальчиков на ниже следующем рисунке.

Задание № 2.
С помощью инструментов «Цветовой баланс» и «Тон-насыщенность» перекрасить летний лес в осенний на указанном рисунке.