Графические языки

1. Графические языки

В процессе развития компьютерной графики появилось несколько стандартных графических языков, например, PostScript, PCL, QuickDraw.

PostScript - язык программирования вывода документов, включающих текст и графику.

Используется также для описания, печати и хранения шрифтов. Разработан фирмой Adobe Systems в 1984 году. В настоящее время является стандартом де-факто для широкого круга печатных устройств, от лазерных принтеров среднего класса до устройств фотовывода. Текстовые процессоры и компьютерные издательские системы могут преобразовывать документы из своего внутреннего формата в программу на языке PostScript , которая затем пересылается на принтер.

Программа на языке PostScript непосредственно не управляет принтером. Для этого принтер должен содержать интерпретатор, который преобразует команды языка PostScript в команды управления принтером. PostScript использует не зависящую от устройств систему воспроизведения. Это означает, что один и тот же PostScript файл с описанием документа может быть выведен на экран с разрешением72 dpi, на лазерный принтер с разрешением 600 dpi и на высококлассной аппаратуре печати с разрешением 2400 dpi.

Исходный язык PostScript теперь называется PostScript Level 1. Он поддерживается многими принтерами и является ядром для создания новых диалектов. Основной недостаток PostScript Level 1 заключается в том, что он не поддерживает цветной печати. Большинство современных принтеров используют обновленный вариант языка PostScript, получивший название PostScript Level2. Он предоставляет поддержку цвета и имеет ряд других положительных свойств.
В Интернет можно найти огромное количество ресурсов по языку PostScript.

PCL (от англ. Printer Command Language) — язык управления принтером разработанный компанией Hewlett-Packard. В первой версии это был просто набор команд для печати ASCII-символов, теперь же, в версиях PCL6 и PCL-X стало возможным печатать в цвете, а также печатать изображения, но вне Microsoft Windows и HP-UX (торговая марка UNIX-системы, принадлежащая HP), этот язык редко используется.

Язык APT. Старейший из специализированных языков, используемый до сих пор, АПТ (APT, от Automatically Programmed Tool - автоматически программируемые инструменты). APT был разработан по контракту с ВВС США электромеханической лабораторией Массачусетского технологического института (МТИ). Является одним из первых проблемно-ориентированных языков, имеющих средства для описания геометрической ниформации.

Работа над языком началась в 1957 г., когда был создан Fortran - первый широко распространенный универсальный язык программирования. Цель была весьма специфическая - получить средство написания программ, которые, будучи закодированными на перфоленте и введенными в металлообрабатывающие станки, автоматически управляли бы процессом обработки металлических деталей самолетов и других предметов, изготовляемых на станках (по существу делали бы предметы из чисел).

Группу по созданию APT возглавлял Дуглас Т. Росс, математик и самоучка-программист, которому только что исполнилось 20 лет. Заканчивая МТИ, Росс оказался связанным с APT и другими важными проектами ВВС США, в частности с разработкой компьютеризованного способа оценки системы управления огнем в бомбардировщике B-58.

После многих месяцев предварительной работы Росс сформулировал основы нового языка за один затянувшийся уик-энд в мае 1957 г., разработав систему обозначений, насколько возможно близкую к английскому языку как по семантике, так и по синтаксису. В результате возник удивительно простой и легкий в изучении язык.

Автономные графические языки, как всякая специализированная разработка, обладают высокой эффективностью в своей области приложений, однако разработка и использование таких языков сопряжена с рядом проблем:

1. 
   довольно значительные затраты на создание языка и транслятора с него, так;
   
2. 
   затраты на внедрение, на включение языка в работающую систему программирования и на обучение пользователей;
   
3. 
   трудности с последующим расширением языка;
   
4. 
   известные в настоящее время языки машинной геометрии и графики, в отличие от процедурных расширений, как правило, не обеспечивают интерактивного режима, а предназначены для написания пассивных программ;
   
5. 
   затруднено объединение в рамках одной прикладной программы графических и геометрических действий и обычных вычислений, которое легко реализуется в случае процедурных расширений.
   

2.Направления компьютерной графики

В компьютерной графике можно выделить несколько основных направлений.

• 
  Визуализация научных (расчетных, экспериментальных) данных. Большинство современных математических программных пакетов (Maple, MatLab, MathCad) имеют средства для отображения графиков, поверхностей и трехмерным тел, построенных на основе каких-либо расчетов. Также графическая информация может активно использоваться в самом процессе вычислений. Визуализация позволяет представить большой объем данных в удобной для анализа форме и широко используется при обработке результатов различных измерений и вычислений.
  
• 
  Геометрическое проектирование и моделирование. Это направление компьютерной графики связано с решением задач начертательной геометрии - построением чертежей, эскизов, объемных изображений с помощью программных сметем, получивших название CAD-системы (AutoCAD).
  
• 
  Распознавание образов. Способность распознавать абстрактные образы считают одним из важнейших факторов, определившим развитие мыслительных способностей человека, выделив его из животного мира Задача распознавании и классификации графической информации является одной из ключевых и при создании искусственного интеллекта. Уже в наши дни компьютеры распознают образы повсеместно (системы идентификации футбольных хулиганов у входа на стадион; анализ аэро-и космических фотоснимков; системы сортировки и т.д.) Существуют специализированные программы распознавания текста - FineReader.
  
• 
  Изобразительное искусство. К этому направлению можно отнести разнообразную графическую рекламу: от текстовых транспарантов и фирменных знаков до компьютерных видеофильмов, обработку фотографий, создание рисунков, мультипликацию и т. д. В качестве примера популярных программ можно назвать Adobe Photoshop, CorelDraw, 3DS Мах.
  
• 
  Виртуальная реальность. Реальность, даже виртуальная, подразумевает воздействия на всю совокупность органов чувств человека, в первую очередь на его зрение. К компьютерной графике можно отнести задачи моделирования внешнего мира в различных приложениях: от компьютерных игр до тренажеров. Не стоит забывать о компьютерах-злодеях, которые используют виртуальную реальность для захвата мира. Поэтому надо изучать компьютерную графику, чтобы не дать себя провести.
  
• 
  Цифровое видео. Все более широкое распространение получают анимированные изображении, записанные в цифровом формате: фильмы, передаваемые через компьютерные сети; также видеодиски Digital Video Disk (DVD), цифровое, кабельное и спутниковое телевидение.
  

3.Графические диалоговые системы

Понятие структуры диалога. Интерактивные устройства. Базовые методы диалога. Методы создания и редактирования изображений. Обьектно-ориентированный диалог. Способы реализации интерактивных графических систем. Применение интерактивных графических систем.

Системы автоматизированного проектирования (САПР) объединяет технические средства, математическое и программное обеспечение, параметры и характеристики которых выбирают с учётом особенностей задач инженерного проектирования и конструирования.

Основная функция САПР - выполнение автоматизированного проектирования на всех или отдельных стадиях проектирования объектов и их составных частей. Реально действующая САПР может рассматриваться как сложная система, состоящая из функционально-целевых блоков, соответствующих определённым классам операций, процедур или задачам обобщённого алгоритма проектирования. Поэтому САПР можно представлять не только как совокупность взаимодействующих составляющих обеспечений системы, но и как иерархическую (или сетевую) структуру функциональных блоков определённого целевого назначения и иерархии.

САПР классифицируются:

• 
  по типу, разновидности и сложности объекта проектирования;
  
• 
  уровню и комплектности автоматизации проектирования;
  
• 
  характеру и числу выпускаемых проектных документов;
  
• 
  числу уровней в структуре технического обеспечения.
  

По типу объекта проектирования различают САПР изделий машиностроения и приборостроения; технологических процессов в машиностроении и приборостроении; объектов строительства; САПР организации и управления, научных исследований, технического дизайна и т.д.

По выполняемым задачам, функциональным возможностям и цене многочисленные механические CAD/CAM системы можно условно разделить на три уровня:

К высшему уровню относятся системы комплексного трехмерного твердотельного и поверхностного геометрического моделирования с широким набором специализированных модулей, библиотеками, средствами анализа, управления проектом, разработки управляющих программ для оборудования с ЧПУ, возможностью оформления чертежей и т.д. Это системы Pro/ENGINEER, UNIGRAPHICS, CATIA, I-DEAS, CADDS, EUCLID-IS.

К нижнему уровню относятся системы "плоского", двумерного моделирования, в основном упрощающие процедуру создания конструкторской документации. Это - AutoCAD, Teflex, КОМПАС, CADMECH и др.

Между этими двумя уровнями существует целый ряд систем, по функциональным возможностям приближающимся к высшему уровню, а по цене - к нижнему. Такого рода системы являются системами так называемого среднего уровня.

Впервые понятие CAD (Computer Aided Design ”проектирование и конструирование с помощью ЭВМ”) зародилось в конце 50-х годов в Массачусетском Технологическом Институте (США). В нашей стране понятие (CAD) отождествляется с понятием автоматизированное проектирование. В 70-е годы оно распространилось как международное обозначение технологии конструкторских работ с применением вычислительной техники. При этом под аббревиатурой CAD подразумевалась обработка данных средствами машинной графики.

С расширением применения САПР и с развитием их возможностей, понятие автоматизированное проектирование часто стали необоснованно использовать для обозначения любых систем, располагающих графическим выводом. Но конструирование и черчение с помощью ЭВМ - это всего лишь часть функций, выполняемых САПР. Существуют различные типы САПР, предназначенных для работы в конкретных предметных областях. Например:

• 
  CAD (Computer Aided Design) - проектирование и конструирование с помощью ЭВМ;
  
• 
  CAQ (Computer Aided Quality) - поддерживаемое компьютером обеспечение качества;
  
• 
  CAM (Computer Aided Manufacturing) - автоматизация производства;
  
• 
  CAP (Computing Aided Planning) - автоматизированное проектирование технологических процессов;
  
• 
  CIM (Computer Integrated Manufacturing) - взаимодействие всех сфер деятельности предприятия, поддерживаемое ЭВМ и другие.
  

Если само понятие автоматизированное проектирование утвердилось в 50-е годы, то первые фирмы, которые занялись созданием САПР, были основаны в США примерно в 1968г. В ФРГ первая САПР была введена в 1973г. Развитие САПР осуществляется за счёт постоянного совершенствования таких характеристик, как: программное обеспечение, быстродействие, качество выводимых материалов, отношение цены к производительности, и др.

В курсе "Компьютерное конструирование" термин САПР используется как аналог зарубежному термину CAD, т.е. средства машинной графики рассматриваются как часть полного процесса проектирования, под термином CAD понимается разработка геометрии, составление чертежей на дисплее ЭВМ.

4.Назначение материалов объектам

Важно понимать разницу между Материалами в ячейках образов окна диалога Material Editor (Редактор материалов) и Материалами объектов. В момент своего создания объекты имеют только цвет, назначенный случайным образом. Это делается, чтобы было проще отличать объекты друг от друга и от окружающего пространства.



Рис. 1. Окно диалога Material Editor после изменения количества показываемых одновременно ячеек до 24. Слева находится окно, демонстрирующее увеличенный вариант образца материала, вызываемое двойным щелчком мыши или по команде Magnify

Для рассмотрения процесса переноса Материала из ячейки образца на объект продолжим предыдущее упражнение.

1. Выделите сферу и перейдите на командную панель Modify (Изменить). В ее вер ней части находится текстовое поле с именем объекта, слева от которого распс ложен образец его цвета. Щелкните на поле образца цвета и в появившемся окне диалога Object Color (Цвет объекта) выделите образец подходящего цвета в палитре, затем нажмите ОК. Цвет объекта изменится. Но это не имеет ничего общего с назначением Материала.

2. Окно диалога Track View (Просмотр треков) показывает линейное представление каждого из объектов сцены, каждый объект имеет свой собственный трек. Список объектов сцены находится справа, а слева показаны их треки. Откройте это окно диалога, нажав кнопку Open Track View (Открыть окно просмотра треков) главной панели инструментов. Щелкните на кружке со знаком «плюс» слева от названия Medit Materials (Исходные материалы), и вы увидите, что открывший иерархический список состоит из 24 Материалов. При этом ветвь дерева иера хии Scene Materials (Материалы сцены) невозможно раскрыть. Рассмотрим процесс назначения Материала объекту сцены. Выделите сферу и щелкните на Л' вой верхней ячейке образца Материала. Вокруг нее появится белая рам" показывающая, что в данный момент выделен именно Материал Default-1. По набором ячеек находится ряд кнопок. Нажмите третью справа кнопку Assi Material to Selection (Назначить материал выделенным объектам). Это приведет к значению выделенного Материала сфере.

3. Снова обратите внимание на окно диалога Track View (Просмотр треков). В кр" ке, расположенном слева от ветви Scene Materials (Материалы сцены), появит знак «плюс». Щелкните на нем, чтобы открыть иерархический список. Обрати те внимание, что название Материала Default-1 находится одновременно в двух списках — Материалов сцены и окна диалога Material Editor (Редактор материалов). Вы можете найти его еще в одном месте иерархического списка. Щелкните на квадратике со знаком «плюс» слева от строчки Objects (Объекты), чтобы увидеть список всех объектов сцены, и затем на кружке со знаком «плюс» слева от строчки Sphered, как показано на рис. 2.



Рис. 2. Вид иерархического списка объектов в окне диалога Track View после раскрытия ветокScene Material, Medit Material и Objects

4. Щелкните правой кнопкой мыши на имени окна проекции Perspective (Перспектива) и выберите в контекстном меню команду Wireframe (Каркас), чтобы перейти в режим показа каркасов объектов. Вы обнаружите, что в невыделенном состоянии объект сохраняет присвоенный ему цвет, несмотря на назначенный ему Материал. Цвет Материала виден только в режиме показа тонированных оболочек объектов.

5. Щелкните на ячейке с образцом материала Default-1 и перетащите курсор на соседнюю ячейку. Теперь обе ячейки имеют одно и то же имя, но только одна из них связана со сферой. По углам ячейки этого образца будут располагаться белые треугольники, показывая, что Материал назначен объекту сцены. Выделите ячейку со вторым образцом цвета и затем, щелкнув на поле образца цвета Diffuse (Диффузный), в окне диалога Color Selector (Выбор цвета), измените цвет диффузного рассеяния этого Материала. Это приведет к изменению цвета образца Материала, но не цвета объекта. Вернитесь к первой ячейке с образом Материала и измените ее цвет диффузного рассеяния. В этом случае цвет объекта изменится. Материалы изменяются динамически, и любое изменение их параметров сразу же отражается на внешнем виде объекта.

Практическая часть.

6. Изучение программы Adobe Photoshop (работа с масками и каналами).

Чтобы создать быструю маску достаточно выделить необходимую область и нажать на пиктограмму быстрой маски . Чтобы просмотреть содержимое канала, щелкнем на пиктограмме глаза напротив составного изображения (канал RGB). Изображение исчезнет, и в окне редактирования будет видна только маска. Черным цветом закрашены прикрытые маской области. Белой осталась область, которая была выделена. Это очень напоминает маску, которая применяется в традиционной фотографии. Черной бумагой или картоном прикрываются области, которые не подлежат экспонированию (обработке). Части фотобумаги, которые должны экспонироваться (обрабатываться), не прикрываются (белый цвет маски). Четкий край черной области маски указывает на то, что к выделению не применялся метод растушевки. Снова вернемся к выделенной области. Для этого необходимо щелкнуть на пиктограмме .



Рис. 1

Редактирование масок

Как и всякий канал, маска является полутоновым изображением. В цветовых каналах RGB оттенки серого цвета обозначают яркость того или иного цвета. В канале маски черный обозначает "не выбрано", белый - "выбрано", а оттенки серого - "частично выбрано".

Данный рисунок (рис 2.) имеет довольно сложный контур. Выделяю его с помощью маски, а после этого удалим фон изображения.



Рис.2

Для этого выполним следующее:

1. С помощью Polygonal Lasso (Полигонального Лассо) создаю приблизительную границу выделенной области.

2. Щелкаю на кнопке и перехожу в режим быстрой маски.

3. С помощью инструмента Paintbrush (Кисть), рисуя черным цветом, редактирую маску и приблизив ее к изображению киски.

4. Перехожу в канал быстрой маски и отключаю отображение составного изображения.

5. Чтобы смягчить края выделения, размываю немного маску. Для этого применяю фильтр Blur (Размытие). Выбераю команду Filter/Blur/Blur (Фильтр/Размытие/Размытие). Маска примет вид, показанный на рисунке (рис 3.).



Рис. 3

6. Щелкнем на пиктограмме и вернемся к выделенной области. Граница выделенной области теперь плотно прилегает к рисунку и кое-где даже заходит на него. Так отображается растушеванная выделенная область. В канале маски мы видели, что девушка аккуратно выделена.

7. Поскольку мы собираемся удалять фон, а не ее, инвертируем выделенную область. Для этого используем команду Select/Inverse (Выделение/Инверсия).

8. Удалим фон, нажав на клавишу Delete. Результат показан на рисунке (рис 4.).



Рис.4

Маски и альфа-каналы

Photoshop позволяет создать не более одной быстрой маски. Для хранения более одной выделенной области используются альфа-каналы. Сохранить выделение в альфа-канале так же просто, как и создать быструю маску. Для этого необходимо в панели Channels (Каналы) щелкнуть на пиктограмме , в результате чего будет создан новый канал и в него помещена маска. Для перехода к выделенной области используется пиктограмма .



Рис.5

Существует еще один способ создания маски на основе выделенной области. Предположим, вам необходимо сохранить в альфа-канале границу выделенной области, созданной вокруг рисунка. Выбераю в меню Select (Выделение) команду Save Selection (Сохранить выделение). В диалоговом окне Save Selection (рис 5.) можно выбрать, сохранить ли маску в существующем или в новом документе. Если в списке Document (Документ) выбрать имя открытого файла, будет создан альфа-канал. Если выбрать опцию New (Новый), будет создан новый документ из одного-единственного канала маски. Опции Add to Channel (Добавить к каналу), Subtract from Channel (Вычесть из канала) и Intersect with Channel (Пересечь с каналом) становятся активными только при выборе в списке Channel (Канал) имени, сохраненного ранее канала маски. Эти опции позволяют путем выполнения операций сложения, вычитания и пересечения создавать маски на основе выделенной области и существующей маски. Чтобы загрузить сохраненную в альфа-канале выделенную область, выбераю команду Select/Load Selection (Выделение/Загрузить выделение).

Альфа-каналы используются не только для хранения масок, но и для хранения форм для плашечных цветов. Плашечные цвета применяются в полиграфии в тех случаях, когда какой-либо цвет не может быть передан с помощью цветовой модели CMYK.

Создание маски из цветового канала



Рис.6

В начале я создавал и редактировал маску для отделения объекта от фона. Девушка на рисунке (рис 6.) имеет сложный контур, но достаточно контрастирует с фоном. В этом случае использование одного из цветовых каналов для создания маски может существенно сократить работу. Фон - черный, поэтому применим в качестве основы будущей маски канал синего цвета. В палитре Channels щелкните мышью на пиктограмму канала Blue и выберите команду Dublicate Channel (Скопировать канал). Канал будет скопирован, и появится новый канал под названием Blue copy.

Теперь в окне изображения виден только этот канал, и он активен. Увеличиваю его контрастность. Для этого в меню Image (Изображение) выбераю команду Adjust/Brightness/Contrast (Коррекция/Яркость/Контраст). В канале Channels щелкаю на поле рядом с пиктограммой составного изображения. С помощью Кисти закрашу белым остатки черного цвета. Применяю фильтр Blur и немного размываю границу маски.

Когда в начал я убирал фон из этого же изображения, я создал маску, перешел к выделенной области и инвертировал ее. Теперь инвертирую саму маску. В меню Image (Изображение) выбираю команду Adjust/Invert (Коррекция/Инвертировать). Маска примет вид, показанный на рисунке (рис 7).



Рис 7.

Нажимаю на канале Blue Copy при нажатой клавише Ctrl и создадаю выделенную область. Удаляю фон с помощью клавиши Delete (рис 4.3.)



Рис 8.

6. Моделирование сцены в 3DS Max с использованием булевских операций (Лабораторная работа №1 3DS Max) (5-7 объектов).

1. Рисую плоскость, для этого выполняю следующие действия: Create / Standard Primitives / Plane.

2. На командной панели перехожу на вкладку Modify и устанавливаю ширину и длину для плоскости: length=597, width =1000.

3. Открываю Modifier List и выбираю модификатор Ripple для создания кругов на поверхности и задаю параметры: wave length=50, amplitude 1 =30. В итоге на плоскости появляются бугорки, заливаю плоскость зеленым цветом.

4. Создаю ещё одну плоскость с параметрами: length=450, width =1100. И с помощью Rotate поворачиваю плоскость таким образом, чтобы она была перпендикулярна первой плоскости. Заливаю плоскость голубым цветом.

5. Создаю текст. Выполняю команды: Create / Shapes / Test.

6. На вкладке Modifier выставляю параметры для текста: size=15, align=center, text=Основные булевские операции. И заливаю фиолетовым цветом.

7. Чтобы текст стал объемным выбираю модификатор Modifier / Bevel.

8. Располагаю текст в верхней части сцены.

9. Создаю куб: Create / Standard Primitives / Box с параметрами: length=50, width =50, height=50.

10. Создаю сферу: Create / Standard Primitives / Sphere. С параметрами: radius=40, segments=20.

11. Располагаю куб и сферу таким образом, чтобы они пересекались (имели общие части).

12. Выполняю булевскую операцию сложения для куба и сферы: Create / Compound / Boolean, выделяю куб, на вкладке Modifier выбираю Union, Pick Operand B и выделяю сферу. Получилась фигура, состоящая из куба и сферы.

13. Создаю куб и сферу.

13. Выполняю булевскую операцию вычитания из куба сферы: Create / Compound / Boolean, выделяю куб, на вкладке Modifier выбираю Subtraction (A-B), Pick Operand B и выделяю сферу. Получилась фигура, состоящая из куба без части сферы.

14. Создаю куб и сферу. Выполняю булевскую операцию вычитания из сферы куба: Create / Compound / Boolean, выделяю куб, на вкладке Modifier выбираю Subtraction (B-A), Pick Operand B и выделяю сферу. Получилась фигура, состоящая из сферы без части куба.

15. Создаю куб и сферу. Выполняю булевскую операцию пересечения куба и сферы: Create / Compound / Boolean, выделяю куб, на вкладке Modifier выбираю Intersection, Pick Operand B и выделяю сферу. Получилась фигура, являющаяся общей частью куба и сферы.

16. Над каждой из фигур создаем текст с названием соответствующей операции: Create / Shapes / Text с параметром size=30.