Компьютерная графика

Математической основой фрактальной графики является фрактальная геометрия. Здесь в основу метода построения изображений положен принцип наследования от, так называемых, «родителей» геометрических свойств объектов-наследников. Понятия фрактал, фрактальная геометрия и фрактальная графика, появившиеся в конце 70-х, сегодня прочно вошли в обиход математиков и компьютерных художников. Слово фрактал образовано от латинского fractus и в переводе означает «состоящий из фрагментов». Оно было предложено математиком Бенуа Мандельбротом в 1975 году для обозначения нерегулярных, но самоподобных структур, которыми он занимался. .

Фрактальная компьютерная графика позволяет создавать абстрактные композиции, где можно реализовать такие композиционные приёмы как, горизонтали и вертикали, диагональные направления, симметрию и асимметрию и др. Сегодня немногие компьютерщики в нашей стране и за рубежом знают фрактальную графику. С чем можно сравнить фрактальное изображение?

Ну, например, со сложной структурой кристалла, со снежинкой, элементы которой выстраивается в одну сложную структуру. Это свойство фрактального объекта может быть удачно использовано при составлении декоративной композиции или для создания орнамент. Сегодня разработаны алгоритмы синтеза коэффициентов фрактала, позволяющего воспроизвести копию любой картинки сколь угодно близкой к исходному оригиналу. С точки зрения машинной графики фрактальная геометрия незаменима при генерации искусственных облаков, гор, поверхности моря. Фактически благодаря фрактальной графике найден способ эффективной реализации сложных неевклидовых объектов, образы которых весьма похожи на природные.

Геометрические фракталы на экране компьютера - это узоры, построенные самим компьютером по заданной программе. Помимо фрактальной живописи существуют фрактальная анимация и фрактальная музыка.

Создатель фракталов - это художник, скульптор, фотограф, изобретатель и ученый в одном лице. Вы сами задаете форму рисунка математической формулой, исследуете сходимость процесса, варьируя его параметры, выбираете вид изображения и палитру цветов, то есть творите рисунок «с нуля».

 

1.5. 3D-графика.

 

Быстро  развивается область трехмерной векторной (или 3D) графики. Трёхмерная графика обычно имеет дело с виртуальным, воображаемым трёхмерным пространством, которое отображается на плоской, двухмерной поверхности дисплея или листа бумаги.

Для получения трёхмерного изображения  на плоскости требуются следующие  шаги:

• моделирование — создание трёхмерной математической модели сцены и объектов в ней.
• рендеринг (визуализация) — построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью.
• вывод полученного изображения на устройство вывода - дисплей или принтер.

  Программные пакеты, позволяющие создавать трёхмерную графику, то есть моделировать объекты виртуальной реальности и создавать на основе этих моделей изображения, очень разнообразны. Последние годы устойчивыми лидерами в этой области являются коммерческие продукты: такие как Autodesk 3ds Max, Maya, Newtek Lightwave, SoftImage XSI и сравнительно новые Sidefx Houdini, Rhinoceros 3D, Cinema 4D, modo или ZBrush. Кроме того, существуют и открытые продукты, распространяемые свободно, например, пакет Blender (позволяет и производство моделей, и последующий рендеринг), K-3D и Wings3D (только создание моделей с возможностью последующего использования их другими программами).

Трехмерная  графика активно применяется  в системах автоматизации проектных  работ (САПР) для создания твердотельных  элементов: зданий, деталей машин, механизмов, а так же в архитектурной визуализации.

 

1.6. Цвет и цветовые  модели.

 

   В компьютерной графике  применяют понятие цветового  разрешения(другое название-глубина  цвета). Оно определяет метод кодирования цветовой информации для ее воспроизведения на экране монитора.

   Цветовые модели- способ разделения цветового оттенка на составляющие компоненты.Существует много различных типов цветовых моделей, но в компьютерной графике, как правило, применяется 3 типа цветовых моделей: RGB, CMYK, HSB.

 

Модель RGB

RGB — сокращение английских слов Красный (Red), Зеленый (Green), Синий (Blue). Эта модель предназначена для описания излучаемых цветов. Базовые компоненты модели основаны на трех лучах — красном, синем и зеленом, т.к. человеческое восприятие цвета основано именно на них.

Вся остальная палитра создается путем смешения трех основных цветов в различных соотношениях.

В этой модели работают мониторы и телевизоры. Поэтому когда изображение проходит обработку в графическом редакторе его следует представить в этой модели. Метод получения нового оттенка суммированием яркостей составляющих компонент - аддитивный. Он применяется всюду где изображение рассматривается в проходящем свете (мониторы, слайд-проекторы). Чем меньше яркость, тем темнее оттенок.

 

 

Цветовая модель CMYK

Эта модель используется для подготовки печатных изображений. Эти изображения видят не в проходящем а в отраженном свете. Поэтому для подготовки печатных изображений используется субтрактивная (вычитающая) модель. Цветовыми компонентами являются те цвета, которые получаются в результате вычитания основных цветов из белого.

 

Голубой (Cyan)=БЕЛЫЙ-КРАСНЫЙ=ЗЕЛЕНЫЙ+СИНИЙ

Пурпурный (Magenta)= БЕЛЫЙ-ЗЕЛЕНЫЙ=КРАСНЫЙ+СИНИЙ

Желтый (Yellow)= БЕЛЫЙ-СИНИЙ=КРАСНЫЙ+ЗЕЛЕНЫЙ

 

При смешении трех дополнительных цветов получается неопределенный темный цвет. Поэтому в этой модели понадобился дополнительный компонент - ЧЕРНЫЙ (blacK).

 

Цветовая модель НSB.

Если модель RGB наиболее удобна для компьютера, а модель CMYK - для типографий, то модель HSB наиболее удобна для человека. В модели HSB тоже три компонента:

Hue-оттенок цвета,

Saturation-насыщенность цвета,

Brightness-яркость цвета.

Регулируя эти три компонента, можно получить столь же много произвольных цветов, как и при работе с другими моделями. Оттенок цвета указывает номер цвета в спектральной палитре. Насыщенность цвета характеризует его интенсивность - чем она выше, тем "чище" цвет. Яркость цвета зависит от добавления чёрного цвета к данному - чем её больше, тем яркость цвета меньше.

Цветовая модель HSB удобна для применения в тех графических редакторах, которые ориентированы не на обработку готовых изображений, а на их создание своими руками.

 

Аддитивный цвет получается на основе законов Грассмана путем соединения лучей света разных цветов. В основе этого явления лежит тот факт, что большинство цветов видимого спектра могут быть получены путем смешивания в различных пропорциях трех основных цветовых компонент. Этими компонентами, которые в теории цвета иногда называютсяпервичными цветами, являются красный (Red), зеленый (Green) и синий (Вlue) цвета. При попарном смешивании пер— 
вичных цветов образуются вторичные цвета: голубой (Сyan), пурпурный (Magenta) и желтый (Yellow). Следует отметить, что первичные и вторичные цвета относятся к базовым цветам.

Базовыми цветами называют цвета, с помощью которых можно получить практически весь спектр видимых цветов.

Для получения новых цветов с помощью аддитивного синтеза можно использовать и различные комбинации из двух основных цветов, варьирование состава которых приводит к изменению результирующего цвета.

Таким образом, цветовые модели (цветовое пространство) представляют средства для концептуального и количественного описания цвета. Цветовой режим — это метод реализации определенной цветовой модели в рамках конкретной графической программы.

Закон Грассмана (законы смешивания цветов)

В большинстве цветовых моделей для описания цвета используется трехмерная система координат. Она образует цветовое пространство, в котором цвет можно представить в виде точки с тремя координатами. Для оперирования цветом в трехмерном пространстве Т. Грассман вывел три закона (1853г):

1. Цвет трехмерен — для его описания необходимы три компоненты. Любые четыре цвета находятся в линейной зависимости, хотя существует неограниченное число линейно независимых совокупностей из трех цветов.

Иными словами, для любого заданного цвета можно записать такое цветовое уравнение, выражающее линейную зависимость цветов.

Первый закон можно трактовать и в более широком смысле, а именно, в смысле трехмерности цвета. Необязательно для описания цвета применять смесь других цветов, можно использовать и другие величины — но их обязательно должно быть три.

2. Если в смеси трех цветовых компонент одна меняется непрерывно, в то время, как две другие остаются постоянными, цвет смеси также изменяется непрерывно.

3. Цвет смеси зависит только от цветов смешиваемых компонент и не зависит от их спектральных составов.

Смысл третьего закона становится более понятным, если учесть, что один и тот же цвет (в том числе и цвет смешиваемых компонент) может быть полу­чен различными способами. Например, смешиваемая компонента может быть получена, в свою очередь, смешиванием других компонент.

 

1.8. Области применения компьютерной графики.

 

Современный человек стремится окружить себя массой красивых и полезных вещей, среди которых не последнее место занимает компьютерная графика. А с развитием компьютерных технологий компьютерная графика приобрела совершенно новый статус, поэтому сегодня компьютерная графика применима везде, где нужно создание и обработка изображений и каких-либо цифровых данных.Однако давайте рассмотрим области применения компьютерной графики более подробно.   

Прежде всего, хочется отметить использование компьютерной графики в рекламном деле. Ведь компьютерная графика в настоящее время широко применяется для создания рекламно-полиграфической продукции, телевизионных, рекламных роликов и презентаций. При этом профессиональные рекламные ролики и видеопрезентации требуют большого опыта и профессионализма от их создателей. Кроме того, для создания таких сложных графических продуктов требуется достаточно мощное компьютерное оборудование, обладающее достаточным быстродействием и памятью.

Создавая рекламные ролики и видеопрезентации, разработчики должны учитывать освещение объектов и расположение теней, уметь работать с «движущимися картинками» и создавать трехмерные модели объектов. Одним словом, создание мультимедиа рекламы, рекламных роликов и презентационных фильмов с помощью компьютерной графики – это трудоемкий процесс, требующий колоссальных знаний и умений.

Еще одной обширной областью применения компьютерной графики является компьютерная анимация. С помощью компьютерной анимации осуществляется создание любых движущихся объектов. В последствии полученные ролики могут использоваться в мультипликации, художественных фильмах, компьютерных играх, а также в той же самой рекламной сфере.

Наряду с художественной и рекламной графикой компьютерная графика широко используется в деловой, конструкторской и научной графике. Ведь с её помощью можно создавать любые дизайнерские проекты, чертежи, графики и диаграммы. Только подумайте, ведь сегодня с помощью компьютерной графики можно не только получать результаты экспериментов и вычислений, но и сразу же видеть их наглядное представление.

2. Компьютерные игры.

 2.1. Происхождение компьютерных игр.

Заметное место в 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.

Электронные развлечения, одни из самых распространенных развлечений в мире и на земле. Компьютерные игры захватили умы и сердца миллионов поклонников, и с каждым годом их число растет. Что же такого в этих играх, что всех тянет к таким развлечениям? В состав игры входит на мой взгляд два самых важных компонента, которые стоят над всеми другими: геймплей и графика..

Если в игре есть чем заняться, то даже при отсутствии сколько-нибудь вменяемого сюжета, в нее будут играть. А что же с графикой? Графика является частью искусства, да, да, искусства. Порой авторы рисуют столь фотореалистичную графику, что проводишь часы за игрой, просто рассматривая пейзажи и мир игры, а не тратя часы за наслаждением от геймплея.

Появление компьютерных игр можно отнести к моменту, когда компьютеры из сферы экспериментальной и почти секретной (ведь на них должны были рассчитываться траектории снарядов и ракет во время военных действий) начали переходить в мир научный и практический. Это произошло в конце 60-х гг. XX в.

Компьютер стал обладать неким более или менее дружественным пользователю интерфейсом — вместо лампочек и загадочных индикаторов появились алфавитно-цифровые дисплеи. Конечно, ни о какой графике не могло идти и речи... Но за компьютерами работают люди, и ничто человеческое им не чуждо. И вот в один прекрасный вечер после тяжёлого трудового дня молодой программист (а кому ещё могла прийти в голову идея использовать компьютер не по прямому назначению) решил написать небольшую программу, которая играла бы с ним в какую-нибудь не очень сложную игру, например «Быки и коровы»... И конечно же, такая идея пришла в голову не только ему одному... Вскоре программы для развлечения начали появляться всё чаще и чаще и даже стали входить в состав пакетов программ, поставляемых вместе с компьютерами.