Компьютерная графика

Введение

В зависимости от способа формирования изображений компьютерную графику  подразделяют на три основных вида растровую, векторную и фрактальную.

Отдельным видом считается трехмерная (3D) графика, изучающая приемы и методы построения объемных моделей объектов в виртуальном пространстве. Как правило, в ней сочетаются векторный и растровый способы формирования изображений.

Особенности цветового охвата характеризуют  такие понятия, как черно-белая и цветная графика. На специализацию в отдельных областях указывают названия некоторых разделов: инженерная графика, научная графика, Web-графика, компьютерная полиграфия и прочие.

На стыке инновационных технологий зародилась и стремительно развивается сравнительно новая область компьютерной графики компьютерная анимация. Художник создает на экране рисунке начального и конечного положения движущихся объектов, все промежуточные состояния рассчитывает и изображает компьютер, выполняя расчеты, опирающиеся на математическое описание данного вида движения.

Заметное место в разделе компьютерной графике отведено развлечениям. Появилось даже такое понятие, как механизм графического представления данных (Graphics Engine). Рынок игровых программ имеет оборот в десятки миллиардов долларов и часто инициализирует очередной этап совершенствования графики и анимации.

Хотя компьютерная графика служит всего лишь инструментом, ее структура  и методы основаны на передовых достижениях  фундаментальных и прикладных наук: математики, физики, химии, биологии, статистики, программирования и множества других. Поэтому компьютерная графика является одной из наиболее бурно развивающихся  отраслей информатики.

1. Роль  компьютерной техники в цифровой  картографии

При чтении большого количества статей по цифровой картографии (далее ЦК) обращаешь  внимание на то, что многие авторы уделяют  огромное внимание используемому программному обеспечению и, практически оставляют  без внимания аппаратную составляющую всего процесса изготовления цифровой карты. В данной статье будет описана  техническая база ЦК и ее связь  с развитием компьютерной техники.

Как только начали появляться первые компьютеры, практически сразу их возможности  стали использовать в геодезии, к  чему имелись все предпосылки  – огромное количество легко формализируемых  вычислений, которое прежде занимало целые отделы. Конечно, первые компьютеры, которые порой занимали целые  здания и отличались относительно невысоким  быстродействием и сложными методами ввода информации (перфокарты и перфоленты) не могли, хотя бы по соображениям себестоимости, вытеснить людей – вычислителей. По-настоящему активное вторжение компьютеров  в геодезию началось позднее, когда  появились машины с магнитным  вводом информации. Дальнейшее развитие компьютеров привело к появлению 2-х ветвей – первые, это огромные монстры, способные обслуживать  целые организации в одиночку, и микрокомпьютеры, предназначенные  для одного человека (персональные компьютеры). Если оглядеться вокруг, то будет ясно, кто победил в этой эволюционной борьбе, хотя бы в области  прикладной геодезии. Поэтому далее  я буду рассказывать только о персональных компьютерах и их роли в развитии цифровой картографии.

Можно условно разбить историю компьютерной техники на 2 этапа: до появления IBM PC и после. Огромное количество персональных компьютеров различных платформ в 80-х годах прошлого века- Spectrum-совместимые, Macintosh, Commodore, Atari, советские Агат и  другие, в большинстве своем с  несовместимыми форматами хранения данных, малым быстродействием и  небольшим объемом оперативной  памяти, тем не менее, позволили автоматизировать очень большое количество геодезических  вычислений и подготовили достаточно большое количество программистов  и простых пользователей компьютеров  для победного шествия PC-совместимых  компьютеров. Основными преимуществами PC-совместимых компьютеров являлась открытая архитектура, которая позволяла  пользователям самим модернизировать  и собирать машину для собственных  нужд, а также отсутствие привязки к определенному программному обеспечению, которое в некоторых платформах доходило до того, что управление компьютером  осуществлялось через встроенный интерпретатор Basic. Все это позволило PC-совместимым  компьютерам достаточно быстро вытеснить  практически все другие платформы, за исключением Macintosh, которые нашли  свою нишу в сфере издательских и  дизайнерских систем. Все эти системы  переходного периода, в том числе  и сами PC-совместимые компьютеры, хоть и могли автоматизировать геодезические вычисления, все же не имели достаточной мощности для создания цифровой карты (под PC-совместимыми компьютерами того периода я имею в виду машины с процессорами 088 и 086, среди которых, кстати, были и советские ЕС-1840 и 1841). Первыми машинами, на которых стало возможным развивать цифровую картографию, были PC с процессором 286.  В начале 90-х годов в МИИГАиК был даже предмет «Компьютерная графика», где на этих машинах изучался AutoCAD. Конечно, в промышленных масштабах даже эти машины не могли использоваться. Пришлось подождать еще несколько лет, прежде чем все эти наработки смогли воплотиться в реальное производство. 

Стоит рассказать и о самом начале перехода картографии на цифровую основу. Цифровой картой в самом начале называлась любая карта, которую можно было отобразить на экране монитора, об исправлении  на первом этапе даже не говорилось, т.е. даже просто отсканированная карта  считалась цифровой. Позднее, с развитием  программного обеспечения и компьютеров  под цифровой картой стали понимать картографическую основу, выполненную  в векторном формате – основным отличием от растрового изображения  векторный вид может давать однозначные  координаты точек, точные площади участков, а также позволяет с легкостью  изменять изображение местности.

Конечно ЦК появилась не сразу, в единый момент, она постепенно, хотя и сравнительно быстро, врастала в уже сложившийся  процесс производства топографических  карт . Сначала ЦК была лишь средством  архивирования бумажных топографических  карт, т.е. к процессу производства обычной  бумажной топографической карты  просто прибавлялся процесс сканирования. Но простое сканирование не помогало в случае постоянного изменения  топографической информации – требовались  другие методы изменения топографической  основы и в дело пошли векторные  графические редакторы, предназначенные, первоначально, для потребностей архитектуры, строительства и машиностроения. Данные графические редакторы могли  работать на компьютерах с процессорами 286 – 486 под управлением DOS или Windows 3.xx

В данном случае процесс сканирования заменялся оцифровкой бумажной карты  с помощью дигитайзеров и, в результате, стала уже появляться карта, близкая  по форме к современным цифровым. Пожалуй самым большим минусом  процесса оцифровки с помощью  дигитайзеров являлось внесение в топографическую  основу ошибок – как операторских, так и ошибок аппаратуры, при этом применение более совершенных и  соответственно дорогих дигитайзеров лишь ненамного улучшало ситуацию. Следующим улучшением и соответственно еще одним шагом к современной  ЦК стало  появление    процессоров Pentium, а точнее, его наиболее мощных разновидностей (от 166) и операционных систем Windows 9x и особенно NT. Этим шагом  стало появление технологии оцифровки  по отсканированной карте – где  убирались ошибки дигитайзера и  также очень сильно уменьшались ошибки оператора, пожалуй, я не ошибусь, если скажу, что точность оцифровки увеличилась практически на порядок. Кроме того, данная технология позволила уменьшить, и значительно, влияние ошибок бумажной основы карты – трансформирование отсканированного изображения, которое входит в процесс, позволяло практически полностью избавиться от этой категории ошибок. Но при этом процессе достаточно большое количество рабочего времени тратилось, из за несовершенства компьютеров, на вычисления при трансформировании отсканированных изображений. Очередной метод внедрения цифровых технологий в геодезию пришел из области аэрофотосъемки. С давних пор ортофотопланы использовались при составления топографических карт и теперь, с появлением более мощных компьютеров типа Pentium II и Celeron с сильно возросшим объемом оперативной памяти, появилась возможность наносить векторную карту местности прямо по аэрофотоснимку, т.е. дешифровка местности, а также фотограмметрическое трансформирование аэрофотоснимков стало проводиться при помощи компьютеров. Нельзя сказать, что до появления этих процессоров данная технология не использовалась, это не так, но для таких работ использовались специальные станции на основе процессоров Pentium Pro с аппаратными ускорителями фотоизображений. Можно было приспособить и обычные компьютеры, но быстродействие данных станций было ниже всякой критики, к тому же сложные преобразования, типа трансформирования фотоснимка, все равно приходилось проводить на более мощных  компьютерах.

Конечно, первые фотограмметрические программы  не могли работать на таких слабых компьютерах – основой фотограмметрической  станции того времени являлись компьютеры с процессорами, основанными на RISK-технологии под управлением операционной системы UNIX. Такие станции стоили огромных денег, но позволяли проводить любые  фотограмметрические работы и даже рисовать в стерео режиме.

Одним из самых серьезных прорывов в  области фотограмметрии стало появление  отечественных программ фотограмметрической  обработки аэроснимков, в их числе  Талка. Данные программы позволили  отказаться от дорогостоящих станций  и позволили использовать для  целей фотограмметрии обычные, хотя и немного модернизированные  компьютеры. Кроме того, постоянный контакт с организациями, использующими  данное программное обеспечение, дал  возможность оперативно реагировать  на запросы пользователей и привел к появлению конкурентоспособных  продуктов даже, за счет сравнительно невысокой цены, на международном  уровне. Данные программы позволяют  использовать даже такие слабые, на сегодняшний взгляд, компьютеры, как Celeron 400 – 800 Мг.

Повсеместно внедрение в геодезии электронных  тахеометров позволило автоматизировать процесс первоначального получения  координат точек и позволило  с легкостью использовать результаты тахеометрических съемок в цифровой картографии, убрав, таким образом, еще одно звено прежней, бумажной, схемы. Дальнейшая обработка результатов тахеометрических съемок проводится уже на компьютере, который становится центром обработки всех данных.

Данная  схема может применяться как  целиком, так и по частям, при этом неизменным останется только наличие  станции цифровой картографии, которая  является центральным звеном процесса изготовления цифровой карты. Все остальные  приборы, используемые для получения  данных, можно рассматривать просто как периферийные устройства. Говоря о современной Цифровой Картографии, нельзя не упомянуть о программном  обеспечении, используемом при создании цифровой карты. При первом упоминании о программах, при помощи которых  создают цифровые карты, многие сразу  вспоминают AutoCAD, что вполне логично, так как эта программа является одной из самых распространенных в области цифровой картографии. К сожалению, ее распространенность связана скорее с удачной маркетинговой  политикой фирмы (AUTODESK), чем с ее неоспоримым превосходством над  другими конкурирующими программами. Что бы не быть голословным, приведу  один пример – не так давно, наш  заказчик, использующий AutoCAD, попросил представить результаты нашей работы в формате DWG. Это, к слову, была цифровая карта небольшого города. Мы сделали  то, о чем нас просили, но, так  как компьютеры заказчика были не самыми современными, то они даже не справились с простым открытием  данного файла, после чего нам  пришлось разрезать этот город по планшетам и снова отправить  их заказчику. Этот пример говорит о  том, что AutoCAD неоправданно завышает требования к компьютерам, на которых он установлен. При этом речь, напомню, шла о небольшом  городе, а что случится, если нам  потребуется создать карту большого города? Боюсь, что даже самые современные  компьютеры будут «тормозить» на таких объектах. У меня могут спросить, какая альтернатива может быть лучше? Наша организация очень давно  работает с графическим редактором MicroStation, который обладает всеми достоинствами AutoCAD, даже более того, может читать и редактировать файлы DWG и, кроме  того, достаточно снисходительно относится  к ресурсам компьютера, на котором  он установлен. К слову сказать, файл, содержащий цифровую карту города, о котором шла речь выше, в формате MicroStation занимал в 3 раза меньше места  на диске, хотя был полностью идентичен  ему. Мне приходилось читать обзоры программных продуктов, где упоминался MicroStation, но все доводы против него были основаны либо на поверхностном знании самого программного продукта, либо делался  упор на высокую стоимость. Да, базовая  цена MicroStation довольно высока, но ведь никто  не заставляет покупать именно ее. Существует облегченный вариант MicroStation – PowerDraft, который предоставляет все возможности  старшего программного продукта и не позволяет лишь работать в 3D файлах. Но в подавляющем большинстве  случаев никто и не работает с  трехмерными файлами. Практически  все цифровые карты являются двухмерными, а цена PowerDraft даже ниже цены AutoCAD в  базовой комплектации, при этом Вы практически ничего не теряете в плане возможностей. Многие могут спросить, почему я ограничиваюсь обзором только этих графических редакторов, хотя на рынке можно встретить много других программных продуктов, в том числе и для цифровой картографии, но эти продукты, типа MapInfo или даже нескольких русских программ, при детальном рассмотрении, на голову ниже в плане профессиональной пригодности. Можно даже выразиться яснее, они, во-первых, не обладают такими обширными возможностями для редактирования цифровой карты и создания условных знаков и, во-вторых, достаточно убоги как с позиций интерфейса, так и по возможностям пользовательского программирования для решения дополнительных задач, возникающих при создании, и, тем более использовании цифровой карты. Основным недостатком MicroStation, в отличие от AutoCAD, является практически полное отсутствие обучающей литературы на русском языке, но это преодолимое препятствие, уже несколько лет многие фирмы, в том числе и наша, ведут обучающие курсы по MicroStation и с радость могут помочь Вам  как в обучении, так и в наладке технологического процесса создания и редактирования цифровых карт.

В заключение хотелось бы дать несколько  советов по сборке современной станции  цифровой картографии. Первое, на этой станции должно быть 2 монитора, при  этом их размер должен быть от 17 до 19 дюймов. При подборе мониторов желательно обратить внимание на то, чтобы их частота  развертки была не менее 85 Гц при  разрешении 1024x768 ( желательно больше, если позволяют средства). Очень хорошо зарекомендовали модели фирм Iiyama, Nec и, в бюджетном варианте, Samsung. Второе, следует обратить внимание на видеокарту. Не следует выбирать самые дорогие  и современные модели, вам ведь не нужно играть в современные 3D игры, а с 2D изображением смогут справиться и более дешевые модели, главное, на что следует обратить внимание, так это на возможность вывода изображения на 2 монитора и разрешение, которое они могут выдать. Желательно, чтобы они могли выдавать, как  минимум, 2048x768x24 бит при частоте  развертки 85 Гц. На мой взгляд, прекрасно  справляются модели фирмы ATI с Radeon 9200 и выше, модели Nvideo от GeForce 4 MX440, неплохо  также зарекомендовала себя фирма Matrox с их видеокартами на базе процессора G450-G550. Третье, и одно из самых важных – выбор процессора и материнской  платы. Как Вы уже наверное знаете, на рынке процессоров жестко конкурируют 2 фирмы – Intel и AMD. Сразу можно  сказать, что в связке процессор + материнская плата желательны Intel + Intel или AMD + VIA. В таком сочетании  можно добиться  наибольшей надежности системы, хотя в секторе материнских  плат для процессоров AMD не все так  однозначно, как в секторе Intel. По поводу же выбора между Intel и AMD, то достоинства  процессоров AMD лежат в области  цены и быстродействия, а процессоры Intel славятся своей надежностью и  большей совместимостью с Windows. Можно  сказать, что выбор за Вами, но если Вы планируете активно использовать вашу станцию цифровой картографии, т.е. по 10 , а то и больше часов в день, то лучше взять Intel. По поводу быстродействия и модели процессора – для нормальной работы вполне хватит Pentium III от 1133 Мг с ядром Tualatin(512 Кб кэш) или Pentium IV от 1800 Мг (256 Кб кэш). Сразу могу сказать, что это минимальные требования для более-менее уверенной работы. К выбору материнской карты следует также отнестись ответственно, лучше всего выбрать Intel, т.к. надежность – важнейшее качество для  такой сложной части станции. Если же Вы не можете найти плату Intel, то постарайтесь хотя бы, что бы чипсет был Intel и фирма, разработавшая плату, была хорошо себя зарекомендовавшей. Вот небольшой список фирм, производящих неплохие материнские платы – Gigabite, Abit, MSI, ASUS. Правда в последнее время хорошо себя зарекомендовала фирма NVIDEO, которая наряду с чипсетами для видеокарт стала выпускать и материнские платы, но лично я с продукцией этой фирмы не сталкивался, поэтому рекомендовать не могу. Следующим замечанием, которое касается материнских плат, будет совет по выбору комплектации. Постарайтесь, что бы плата была без всяких встроенных устройств, типа видеокарты, сетевого контроллера и т.д., т.к. чем проще карта, тем она надежнее и проще в обслуживании. Но при этом не стоит впадать в крайности, и гоняться за бюджетными моделями материнских карт, себестоимость которых была снижена за счет уменьшения количества стабилизирующих элементов на плате. Далее, важен выбор корпуса и блока питания для станции, ведь стабильность работы материнской платы и всей станции в целом напрямую зависит от подаваемого питания. Сразу можно сказать, что стоимость корпуса должна быть не менее 40 $, а мощность блока питания не менее 300 Вт, как вариант, корпус может быть фирмы IWin , а блок питания PowerMan 300-350 Вт. Также, в бюджетном варианте, могут подойти корпуса фирмы Codegen, одной из лучших в данном секторе. По оперативной памяти, желательно иметь 512 Мб двухканальной памяти фирмы Samsung,  как одной из самых надежных. Увеличение количества оперативной памяти тоже возможно, особенно если Вы планируете работы с большим количеством  аэрофотоснимков и их печатью. Далее, у нас остались жесткие диски. Тут можно сказать, чем больше, тем лучше. Как вариант, 2-3 диска Serial ATA (желательно предусмотреть это при покупке материнской платы) по 60 Гб, это, кстати, лучше, чем один диск 120-180 Гб, ведь если он накроется, то вся информация может быть потеряна, а вариант одновременного выхода из строя нескольких дисков практически невероятен. По выбору конкретной фирмы и модели жестких дисков я могу отослать Вас к специализированным статьям, так как  это достаточно сложный вопрос, и он не входит в рамки данной статьи. При желании так же можно рассмотреть вариант станции с жесткими дисками с интерфейсом SCSI Ulrta320. Это очень дорогой вариант, но зато позволяет сильно увеличить быстродействие дисковой подсистемы.