Что такое основы компьютерной графики

Обновлено: 21.11.2024

Подробно объясните основы компьютерной графики

Искусство рисования изображений на экране компьютера с помощью программирования известно как компьютерная графика. Действия, связанные с компьютерной графикой, включают вычисления, создание и обработку данных. Изображения генерируются и обрабатываются с помощью инструмента визуализации, известного как компьютерная графика.

Что такое электронно-лучевая трубка?

В графической системе видеомонитор является основным устройством вывода, а электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) является основным элементом видеомонитора, что показано ниже с работающим ЭЛТ:

  • Пучок электронов или катодных лучей испускается электронной пушкой.
  • Через системы фокусировки и отклонения электронный пучок проходит и направляется в заданные точки на покрытом люминофором экране.
  • Когда луч попадает на экран, в каждой точке контакта с электронным лучом испускается небольшое пятно света.
  • Картинка перерисовывается путем направления электронного луча обратно на тот же экран.

Объект может отображаться на экране двумя способами: в случайном порядке и в растровом режиме.

Что такое растровое сканирование?

Электронный луч проходит по экрану по одной строке за раз, начиная сверху вниз в системе растрового сканирования. Чтобы создать узор из светящихся пятен, интенсивность луча включается и выключается по мере того, как электронный луч проходит через каждый ряд.

Буфер обновления или буфер кадров — это область памяти, в которой хранится определение изображения. Для всех точек экрана в этой области памяти хранится набор значений интенсивности. Из буфера обновления извлекаются сохраненные значения интенсивности и «отрисовываются» на экране по одной строке за раз, как показано на рисунке ниже.

Пиксель, элемент изображения или пиксел представляют каждую точку экрана. В конце каждой строки сканирования электронный луч перемещается в левую часть экрана и начинает отображать следующую строку сканирования.

Что такое случайное сканирование (векторное сканирование)?

Электронный луч направляется только на ту часть экрана, где нужно рисовать картинку, а не сканировать слева направо или сверху вниз. Случайное сканирование также называется векторным отображением, отображением штрихового письма или каллиграфическим отображением.

Файл отображения обновления, область памяти, в которой хранится определение изображения в виде набора команд рисования линий. Система прокручивает набор команд в файле отображения для отображения определенного изображения. После обработки команд рисования линии первая команда линии в списке возвращается обратно по циклу системы.

Все составные линии изображения прорисовываются от 30 до 60 раз в секунду на дисплеях с произвольным сканированием.

Компьютерная графика — это искусство рисования изображений на экранах компьютеров с помощью программирования. Он включает в себя вычисления, создание и манипулирование данными. Другими словами, мы можем сказать, что компьютерная графика — это инструмент визуализации для создания и обработки изображений.

Электронно-лучевая трубка

Основным устройством вывода в графической системе является видеомонитор. Основным элементом видеомонитора является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), показанная на следующем рисунке.

Управление CRT очень простое –

Электронная пушка испускает пучок электронов (катодные лучи).

Электронный пучок проходит через системы фокусировки и отклонения, которые направляют его в заданные точки на покрытом люминофором экране.

Когда луч попадает на экран, люминофор испускает небольшое пятно света в каждой точке, с которой контактирует электронный луч.

Он перерисовывает изображение, быстро направляя электронный луч обратно на те же точки экрана.

Есть два способа (случайное сканирование и растровое сканирование), с помощью которых мы можем отобразить объект на экране.

Растровое сканирование

В системе растрового сканирования электронный луч проходит по экрану по одной строке сверху вниз. По мере того, как электронный луч перемещается по каждому ряду, интенсивность луча включается и выключается, создавая узор из светящихся пятен.

Определение изображения хранится в области памяти, называемой буфером обновления или буфером кадров. Эта область памяти содержит набор значений интенсивности для всех точек экрана. Затем сохраненные значения интенсивности извлекаются из буфера обновления и «рисуются» на экране по одной строке (строке сканирования) за раз, как показано на следующем рисунке.

Каждая точка экрана называется пикселем (элементом изображения) или пикселем. В конце каждой строки сканирования электронный луч возвращается к левой стороне экрана, чтобы начать отображение следующей строки сканирования.

Сканирование в случайном порядке (векторное сканирование)

В этом методе электронный луч направляется только на ту часть экрана, где должно быть нарисовано изображение, а не сканируется слева направо и сверху вниз, как при растровом сканировании. Его также называют векторным отображением, отображением штрихового письма или каллиграфическим отображением.

Определение изображения хранится в виде набора команд рисования линий в области памяти, называемой файлом отображения обновления. Чтобы отобразить указанное изображение, система циклически выполняет набор команд в файле отображения, по очереди рисуя каждую компонентную строку. После того, как все команды рисования линий будут обработаны, система вернется к первой команде линии в списке.

Дисплеи со случайным сканированием предназначены для отображения всех составных строк изображения от 30 до 60 раз в секунду.

Применение компьютерной графики

Компьютерная графика имеет множество приложений, некоторые из которых перечислены ниже.

Пользовательские интерфейсы компьютерной графики (GUI) — графическая парадигма, ориентированная на мышь, которая позволяет пользователю взаимодействовать с компьютером.

Графика для бизнес-презентаций — «Изображение лучше тысячи слов».

Картография — рисование карт.

Карты погоды — отображение в реальном времени, символьные представления.

Спутниковые изображения — геодезические изображения.

Улучшение фотографий — повышение резкости размытых фотографий.

Медицинская визуализация – МРТ, компьютерная томография и т. д. – неинвазивное внутреннее обследование.

Технические чертежи – механические, электрические, гражданские и т. д. – Замена старых чертежей.

Типографика — использование изображений символов в публикации — замена жесткого шрифта прошлого.

Архитектура — строительные планы, эскизы экстерьера — замена чертежей и ручных рисунков прошлого.

Искусство. Компьютеры предоставляют художникам новую среду.

Обучение — авиасимуляторы, компьютерное обучение и т. д.

Развлечения – фильмы и игры.

Моделирование и моделирование — замена физического моделирования и инсценировок

Компьютерная графика – это компьютерное создание и обработка визуальных данных.

Для чего это нужно?

  • Понимание и интерпретация информации. Визуализация необходима для работы со сложными данными.
  • Улучшенное взаимодействие с компьютерами: полезны графический и звуковой интерфейсы.
  • Улучшенный дизайн продукта. Дизайнеры могут исследовать больше возможностей за меньшее время и сосредоточиться на творческих аспектах дизайна (которые не включают наброски).
  • Более экономичные проекты. Базы данных проектов можно «тестировать» в электронном виде, что снижает зависимость от сложных и дорогостоящих физических моделей (например, самолетов).
  • Улучшенные продукты. Базы данных проектов можно передавать роботам для производства (вывод в 3D).

Где используется технология?

  • Пользовательские интерфейсы
  • Гипермедиа
  • Графика презентации
  • Электронная публикация
  • Автоматизация офиса
  • Компьютерный дизайн
    • Архитектура
    • Инжиниринг (СБИС, сложное машиностроение)
    • Химический анализ
    • Демографические исследования
    • Финансовое планирование
    • Картография
    • Поведение частиц
    • Медицинское (УЗИ, КТ, МРТ, ПЭТ)
    • Метеорологические исследования
    • Улучшение фотографий
    • Обучающее программное обеспечение
    • Мониторинг электростанций, компьютерных сетей, движения самолетов, торнадо
    • Художественные фильмы
    • Анимационные программы
    • Виртуальная реальность
    • Аркады, консоли, компьютерные игры
    • Имитация фабрики
    • Авиасимуляторы
    • Видео-живопись и т. д.

    Подразделы компьютерной графики

    Мне кажется, что существует восемь основных областей компьютерной графики. Очевидно, это спорно, но эта классификация, кажется, работает.

    • Примитивы (например, пиксели, полигоны)
    • Внутренняя геометрия
    • Атрибуты (например, цвет, текстура)
    • Подключение (например, графики сцен)
    • Динамика (например, движение, трансформация)
    • Полигональные сетки
    • Исправления
    • Твердая геометрия
    • Очистка
    • Фракталы
    • Системы частиц
    • L-грамматика

    Объекты и изображения

    Объекты — это (обычно трехмерные) концептуальные объекты, существующие в своих собственных системах координат; изображения — это (обычно двумерные) реализации объектов на каком-либо носителе.

    Чтобы сделать изображения, нам нужно учитывать

    • Положение и ориентация зрителя.
    • Свойства камеры, такие как фокусное расстояние и соотношение сторон.
    • Свойства материалов.
    • Как освещена сцена.

    Чтобы получить представление о том, что нужно для преобразования трехмерного изображения в двухмерное, ознакомьтесь с этим упрощенным представлением о проекции.

    В классе мы разберемся, как вычислить x' и y' из x, y, z и d.

    Графические системы

    Устройства ввода

    Физические: клавиатура, мышь, планшет, сенсорная панель, сенсорный экран, перчатка для передачи данных, камера, световое перо, волшебная палочка, джойстик, джойстик, трекбол, космический шар, микрофон, распознаватель речи и т. д.

    Логический: строка, локатор, выбор, выбор, оценщик, штрих.

    Устройства вывода

    Примеры: ЭЛТ-дисплей, светодиодный дисплей, ЖК-дисплей, плазменный дисплей, принтер, плоттер, электронная бумага, генератор голограмм, видеомагнитофон, звукозаписывающее устройство, динамик, робот-манипулятор и т. д.

    Устройства двумерного вывода — это либо векторные устройства, которые физически рисуют сегменты линий (например, плоттер), либо растровые устройства, которые отображают сетку цветных пикселей (элементов изображения). Разрешение растрового изображения записывается как ширина × высота. Соотношение ширина ÷ высота также заслуживает внимания. Примеры:

    < th>1,89
    17:9
    1,25
    5:4    		 1,33
    4:3    		 1,5
    3:2     		1,6
    16:10    		 1,67
    5:3    		 1,78
    16:9
    1280x1024
    2560x2048    		 320x240QVGA
    640x480VGA
    768x576PAL
    800x600SVGA
    1024x768XGA
    1152x864XVGA+
    1280x960
    1400x1050SXGA+
    1440x1080
    1600x1200UXGA
    2048x1536QXGA     		480x320iPhone
    960x640iPhone4+
    1152x768
    1280x854
    1440x960     		320x200
    1280x800
    1440x900
    1680x1050
    1920x1200
    2560x1600    		 800x480
    1280x768    		 854x480
    1024x576
    1280x720
    1366x768
    1600x900
    1920x1080FullHD
    2560x1440WQHD
    3840x2160UHD-1
    5120x28805K
    7680x4320UHD-2     		2048x10802K
    40 96x21604K
    8192x43208K

    Обратите внимание, что отношение количества столбцов пикселей к количеству строк пикселей (SAR или соотношение площади памяти) может не совпадать с физической шириной дисплея и физической высотой дисплея (DAR). или соотношение сторон дисплея). Если они совпадают, у нас квадратные пиксели — соотношение сторон PAR или пикселя будет 1:1. В противном случае пиксели будут растянуты (что может быть некрасиво).

    Упражнение. На мониторе размером 15 × 9 дюймов установлен режим отображения 1280 x 1024 пикселей. Что такое соотношение сторон пикселя? Пиксели короткие и толстые или высокие и узкие?

    Буфер кадров

    Память, в которой хранятся данные для каждого пикселя. Могут быть отдельные буферы: буфер цвета, буфер глубины, буфер трафарета, буфер накопления.

    Каждый буфер имеет определенное количество битов на пиксель, называемое его глубиной.

    Упражнение. Укажите, сколько байтов требуется для буферов следующего разрешения и глубины: (а) 1920 x 1080, 24 бита на пиксель, (б) 1024 x 768, 16 бит на пиксель, (в) 1440 x 900, 32 бита на пиксель.

    Графические API

    • Алгоритмические продажи:
      • Перьевой плоттер: moveTo, lineTo, penUp, penDown. Может быть, угол влево, угол вправо, толкнуть, толкнуть.
      • Чистый растр: setPixel, getPixel.
      • На основе вершин: начало, вершина, конец, смыв.
      • График сцены

      Графические конвейеры

      Вы должны знать основную идею конвейеров в вычислениях. Если нет, прочтите статью в Википедии и ее подстатьи.

      Этот номер штрих-кода позволяет убедиться, что вы получаете именно ту версию или издание книги. Работают как 13-значный, так и 10-значный форматы.

      Добавьте свой клуб в книжные клубы Amazon, создайте новый книжный клуб и пригласите своих друзей присоединиться к нему или найдите подходящий вам клуб бесплатно.

      электронный учебник

      Есть более новая версия этого элемента:

      Клиенты, просматривавшие этот товар, также просматривали

      Какие еще товары покупатели покупают после просмотра этого товара?

      Редакционные обзоры

      Обзор

      Основы компьютерной графики выходят в своем третьем обновленном издании, в котором обсуждаются основы компьютерной графики для студентов колледжей и программистов. Были добавлены четыре новые главы о неявном моделировании, цвете, визуализации и компьютерной графике в играх, а также обширные исправления и обновленные новые материалы, что делает его обязательным для любой библиотеки компьютерной графики на уровне колледжа.
      — The Midwest Book Review, декабрь 2009 г.

      С задней обложки

      Третье издание этого широко распространенного учебника дает учащимся всестороннее фундаментальное введение в компьютерную графику. Авторы представляют математические основы компьютерной графики с упором на геометрическую интуицию, что позволяет программисту понять и применить эти основы для разработки эффективного кода. Новое в этом издании • Четыре новые дополнительные главы, написанные экспертами в своих областях: Неявные Моделирование, компьютерная графика в играх, цвет, визуализация • Пересмотрены и обновлены материалы по графическому конвейеру • Расширена обработка просмотра, что повышает четкость и согласованность при одновременном объединении просмотра при трассировке лучей и растеризации • Расширен охват треугольных сеток и структур данных сеток

      Об авторе

      Питер Ширли — ведущий научный сотрудник NVIDIA и адъюнкт-профессор Школы вычислительной техники Университета Юты. Он занимал должности в Университете Индианы и в Программе компьютерной графики Корнельского университета.

      Стив Маршнер — доцент кафедры компьютерных наук и программы компьютерной графики Корнельского университета.

      Я хотел бы получать электронные письма от UCsanDiegoX и узнавать о других предложениях, связанных с компьютерной графикой.

      Научитесь создавать изображения 3D-сцен как в реальном времени, так и с реалистичной трассировкой лучей в этом вводном курсе по компьютерной графике.

      Посмотреть видео

      Воспроизвести видео для компьютерной графики

      Воспроизвести видео для компьютерной графики

      Доступен один сеанс:

      Я хотел бы получать электронные письма от UCsanDiegoX и узнавать о других предложениях, связанных с компьютерной графикой.

      Компьютерная графика

      Зарегистрироваться сейчас

      Сегодня компьютерная графика занимает центральное место в нашей жизни: в фильмах, играх, автоматизированном проектировании, виртуальных симуляторах, средствах визуализации и даже в продуктах и ​​камерах для обработки изображений. Этот курс обучает основам компьютерной графики, применимым ко всем этим областям.

      Учащиеся научатся создавать компьютерные изображения 3D-сцен, в том числе пролетающие мимо объекты, создавать средство просмотра сцен в реальном времени и создавать очень реалистичные изображения с помощью трассировки лучей. Мы начнем с простого примера наблюдения за чайником из любой точки пространства, поняв основы математики размещения виртуальной камеры. Далее вы узнаете, как использовать языки графического программирования в реальном времени, такие как OpenGL и GLSL, для создания собственного средства просмотра сцен, позволяющего вам летать и манипулировать 3D-сценами. Наконец, мы научим вас создавать реалистичные изображения с отражениями и тенями с помощью трассировки лучей. CSE167x обучает основам компьютерной графики.

      Этот курс длится 6 недель и состоит из четырех сегментов. Каждый сегмент включает в себя индивидуальное задание по программированию:

      1. Обзор и основы математики (домашнее задание 0: 10 % от оценки)
      2. Преобразования (домашнее задание 1: 20 % оценки)
      3. OpenGL и освещение (домашнее задание 2: 35 % оценки)
      4. Трассировка лучей (домашнее задание 3: 35 % оценки)

      В этом семестре учащиеся, набравшие в общей сложности 50 % или более, завершат курс и могут получить сертификат Калифорнийского университета в Сан-ДиегоX.

      Часто задаваемые вопросы

      Какой формат урока?

      Занятие будет состоять из лекций, коротких упражнений и домашних заданий.В каждом из четырех сегментов курса будет по 2-3 лекции. Каждая лекция включает в себя 3-5 лекционных видеороликов продолжительностью от 10 до 20 минут. После каждого видео-лекции будет небольшое упражнение, которое поможет вам проверить свое понимание материала.

      Ваша оценка будет полностью определяться заданиями по программированию, по которым вы немедленно получите отзыв от автооценщика. Вы можете отправить свое задание на автооценку несколько раз; будет учитываться только ваша последняя отправка.

      Проекты по программированию должны реализовываться индивидуально, без копирования кода других учащихся, практически идентичных онлайн-ресурсов или предыдущих экземпляров класса. Тем не менее, если вы не публикуете или не делитесь фактическим явным кодом, вам предлагается сотрудничать и обсуждать проблемы на дискуссионных форумах.

      Будет ли доступен текст лекций?

      Да. Стенограммы всех наших лекций будут синхронизированы с видео.

      Нужно ли мне смотреть лекции в прямом эфире?

      Нет. Вы можете смотреть лекции на досуге. Вы можете «работать на опережение», если хотите двигаться быстрее, чем сроки. И наоборот, вы можете прогрессировать более медленными темпами. Обратите внимание, что сертификаты будут выдаваться только тем учащимся, которые наберут необходимый балл, сдав задания в установленные сроки.

      Сколько стоит пройти курс?

      Ничего: курс бесплатный. Если вы планируете в будущем много заниматься программированием графики, мы бы порекомендовали руководства по программированию OpenGL и GLSL, но покупать их ни в коем случае не обязательно. По этим темам существует множество бесплатных онлайн-ресурсов, и мы будем публиковать ссылки на них.

      Какая компьютерная система мне нужна для курса?

      Материал курса включает переносимое программирование на C++/OpenGL/GLSL. Мы предоставляем скелетный код для всех основных платформ (Windows, Mac OS, Linux). Это современный курс, связанный с программируемыми шейдерами, но любая машина, построенная за последние несколько лет, должна подойти. Мы даем много советов и советов по компиляции, а Домашнее задание 0 предназначено для того, чтобы убедиться, что вы можете компилировать и работать с автогрейдером. Вам нужна какая-то среда разработки C++; мы предоставляем несколько ресурсов, которые помогут вам приступить к домашнему заданию 0. В маловероятном случае, если вы не сможете заставить свою машину работать, мы надеемся, что у вас будет достаточно времени, чтобы найти другую систему.

      Буду ли я изучать Maya/DirectX/3D Studio Max и т. д.?

      Этот курс посвящен основам компьютерной графики и охватывает концепции, а не тонкости конкретного программного пакета. Тем не менее, вы сможете писать сложные интерактивные и автономные программы для трехмерной графики в конце курса на C++, OpenGL и GLSL.

      Могу ли я связаться с инструктором или ассистентами?

      Да, но не напрямую. Дискуссионные форумы являются подходящим местом для вопросов о курсе. Инструкторы будут следить за дискуссионными форумами и стараться отвечать на самые важные вопросы; во многих случаях реакция других учащихся и сверстников будет адекватной и более быстрой.

      У меня инвалидность (зрение/слух и т. д.). Могу ли я пройти курс?

      В большинстве случаев да. Мы предоставляем стенограммы всех лекций. Многие ведущие исследователи компьютерной графики страдали такими нарушениями зрения, как дальтонизм. Однако, поскольку это курс компьютерной графики, основанный на сравнении визуальных изображений, мы, вероятно, не можем обеспечить адекватную поддержку для тех, кто официально признан слепым.

      Этой осенью у меня плотный график. Могу ли я пройти курс?

      Курс требует около 12 часов работы в неделю, а задания (где вам дается две недели) требуют времени. Сертификаты достижения требуют проходной балл. Конечно, вы можете просто пройти лекции или попробовать выполнить некоторые задания, если вы не заинтересованы в сертификате; мы надеемся предоставить что-то для всех.

      Читайте также: