«национальный исследовательский томский политехнический университет»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»


А.Ю. Дёмин

К О М П Ь Ю Т Е Р Н А Я Г Р А Ф И К А

Рекомендовано в качестве учебного пособия
Редакционно-издательским советом
Томского политехнического университета


Издательство

Томского политехнического университета

2011

	УДК 681.3.06 (082.5) ББК Д35
Д35	Дёмин А.Ю. Компьютерная графика: учебное пособие / А.Ю. Дёмин; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. – 210 с.

В учебном пособии изложены математические и алгоритмические основы компьютерной графики. В работе отражены следующие темы: особенности растровой и векторной графики, основные растровые алгоритмы, компьютерная геометрия, алгоритмы удаления скрытых линий и поверхностей, методы закраски поверхностей, работа с графическими стандартами и библиотеками, аппаратные средства компьютерной графики.

Пособие подготовлено на кафедре информатики и проектирования систем Томского политехнического университета, соответствует программе дисциплины и предназначено для студентов ИДО обучающихся по специальностям … .

УДК 681.3.06 (082.5)

ББК

Рецензенты
Доктор технических наук,
– заведующий кафедрой вычислительной техники Новосибирского государственного технического университета, профессор НГТУ

В.В. Губарев
Доктор технических наук,
заведующий кафедрой автоматизированных систем управления ТУСУР, профессор
А.М. Кориков

© ГОУ ВПО НИ ТПУ, 2011

© Демин А.Ю. 2010

© Оформление. Издательство Томского
политехнического университета, 2011

Введение

Если заглянуть в историю, то можно проследить, как с момента появления первых ЭВМ люди стремятся разнообразить способы общения человека и машины, приблизившись к уровню общения человека с человеком. Это общение было бы гораздо более ограниченным, если бы не использовало один из наиболее простых способов — язык изображений, образов. Сегодня графические изображения на экране монитора современного персонального компьютера стали для нас нормой, совершенно неотъемлемым атрибутом интерфейса. Спектр применения компьютерной графики, помимо средства интерфейса «человек-машина», чрезвычайно широк: от создания рекламных роликов, компьютерных мультфильмов и игр, кроя одежды, малых и монументальных форм дизайна, компьютерной живописи до визуализации результатов научных изысканий [10]. Можно с уверенностью сказать, что популярность Internet, и в частности WWW, во многом объясняется широким применением графики.

Рынок программного и аппаратного обеспечения компьютерной графики – один из самых динамичных. Об этом можно судить по объему литературы и числу сервисов Internet, посвященных так или иначе компьютерной графике.

Предметом данной работы является обширная область компьютерных наук, посвященная представлению данных в памяти ЭВМ в графической форме. Это самое общее определение, так как под данными можно понимать как непосредственно хранящееся в виде файла изображение в одном из графических форматов, так и протокол обмена командами между пользователем и ЭВМ (то, что мы называем графическим интерфейсом), и битовую последовательность, сформированную для вывода на экран или печатающее устройство. Методы и способы представления и манипуляции этим видом данных относятся к компетенции компьютерной графики.

В работе рассматриваются различные способы представления изображений в памяти ЭВМ, методы и алгоритмы растеризации и обработки растровых изображений, матричные преобразования на плоскости и в пространстве, методы и алгоритмы удаления скрытых линий и поверхностей. Кроме того, приводятся основы использования графической библиотеки OpenGL, а также описываются базовые аппаратные средства, используемые при работе с изображениями.

Программный код, приведенный в пособии, создан в MS Visual Studio 2010 на языке C#.

1.Способы представления изображений в ЭВМ

Компьютерная (машинная) графика – область деятельности, изучающая создание, способы хранения и обработки изображений с помощью ЭВМ. Под интерактивной компьютерной графикой понимают раздел компьютерной графики, изучающий вопросы динамического управления со стороны пользователя содержанием изображения, его формой, размерами и цветом на экране с помощью интерактивных устройств взаимодействия. Кроме интерактивной в компьютерной графике выделяют разделы, изучающие методы работы с изображением на плоскости, так называемую 2D графику, и трехмерную (3D) графику.

Трехмерное изображение отличается от двухмерного, тем, что строится исходя из математического описания некоторой трехмерной сцены. Математическое описание сцены чаще всего является моделью физических объектов в трехмерном пространстве. Таким образом, для получения трехмерного изображения требуется построить математическую модель сцены и объектов на ней, а далее визуализировать путем получения проекции с учетом освещения материалов и пр. В результате визуализации мы получим изображение на плоскости экрана или на выходе принтера.

Вопросы 2D, 3D графики, общего геометрического моделирования, связанные с визуализацией геометрических моделей входят в компетенцию компьютерной геометрии.

На специализацию в отдельных областях указывают названия некоторых разделов: инженерная графика, научная графика, Web-графика, компьютерная полиграфия и прочие.

Кроме этого, по способу представления изображения в памяти ЭВМ, компьютерную графику разделяют на векторную, растровую и фрактальную. Рассмотрим подробнее эти способы представления изображений, выделим их основные параметры и определим их достоинства и недостатки.