Home‎ > ‎

Программа курса


Місце і значення Комп'ютерної графіки в інженерній освіті

Дисципліна  “Комп’ютерна графіка” входить до переліку дисциплін самостійного вибору вищого закладу освіти циклу професійної та практичної підготовки освітньо-професійної програми вищої освіти за спеціальністю 6.0915 “Комп’ютерна інженерія” і розглядається кафедрою як складова частина спеціальної підготовки разом з дисциплінами "Програмування”, “Системне програмування" та "Об'єктно-орієнтоване програмування" , які передують їй у навчальному плані. Необхідними передумовами для викладання дисципліни “Комп’ютерна графіка" є засвоєння студентами матеріалу дисциплін „Фізика”, "Програмування" та “Системне програмування ".

Вивчення дисципліни сприяє формуванню наукового рівня інженерного мислення майбутнього фахівця, містить в собі теоретичну базу, яка необхідна при засвоєнні прикладних питань комп’ютерної графіки та вирішуванні конкретних задач в галузі візуалізації структур даних. У зв'язку з тим, що особливості об'єктів, що візуалізуються,  обумовлюють різноманітність підходів до їх обробки, основний наголос у курсі зроблено на вивченні методів комп’ютерної графіки, на базі яких створюються прикладні програми для створення та обробки зображень різних типів

Зміст дисципліни

Вступ

Предмет дисципліни «Комп’ютерна графіка». Структура дисципліни. Коротка історія комп’ютерної графіки.

Роль зору в спілкуванні людини з навколишнім світом. Візуальний інтерфейс людини з комп’ютером як найбільш інформаційно наповнений. Головні характеристики діалогового візуального інтерфейсу: оперативність, інтуїтивність, безперервність.

Перегляд технічних засобів комп’ютерної графіки

Пристрої виводу

Пристрої динамічного виводу. Побудова кольорової ЕПТ сучасного комп’ютерного монітора. Основні технічні та ергономічні характеристики моніторів. Рідкокристалічні монітори, їх побудова та характеристики.  Проекційні монітори на базі багатопроменевих матриць.  Тенденції технічного розвитку пристроїв виводу: шлеми віртуальної реальності, гнучкі монітори на базі світовипромінюючих пластиків. Технічні передумови одержання тривимірних зображень.

Пристрої одержання твердих копій. Технологія електрографії та конструкція лазерного принтера. Конструкція струминного принтера. Конструкція плотера.

Пристрої вводу

Конструкція та принцип дії „миші”. Трекбол. Конструкція та принцип дії електромагнітного графічного планшету. Джойстик. Сенсорна панель.

2.3         Форми  комп’ютерного представлення плоских зображень

Векторна форма представлення зображення.  Параметричний опис відрізків прямих та його перевага перед y=Kx+b. Поняття про сплайни. Сплайни Ерміта, Безьє та В-сплайни. Взаємозв'язок різних способів завдання сплайнів. Структура файла опису зображення в векторній формі. Поняття про файли Post Script.

Растрова форма представлення зображення. Передача кольору піксела компонентами або індексом в палітрі. Проблема зменшення обсягу растрового зображення. Поняття про послідовне та ентропійне стискання.

Формати растрових файлів: ВМР/РСХ, GIF, JPEG. Структура файлу в форматі Adobe Photoshop (PSD).

2.4         Кольори в комп’ютерній графіці

Колір як характеристика сприйняття світла зором людини. Побудова ока. Феномен змішування кольорів в зоровому сприйнятті. Спектральні характеристики фоторецепторів людського ока. Врівноважування довільного кольору набором базових кольорів. Парадокс «від’ємного червоного кольору». Характеристики стандартного «спостерігача кольорів» за описом CIE. Нормалізація вектору числових параметрів опису кольорів і зведення його розмірності до двох. Діаграма колір(x,y) („кольорове крило”). Поняття про кольорові охоплення.

Адитивна кольорова модель RGB. Субтрактивна кольорова модель CMY і її модифікація CMYK. Абстракції „кольоровий простір”, „куб кольорів”. 

 Проблема обмеженості точного переводу кольору між моделями RGB  та CMY. Технічні кольорові моделі YIQ (для телебачення формату NTSC) та  Lab.

„Художні” кольорові моделі HSB та HSL та їх геометрична інтерпретація.

Проблема коректної передачі кольорів в технологічному ланцюзі одержання зображень для кінцевого користувача. Поняття про кольорові профілі графічних пристроїв.

Зображення високого динамічного діапазону (HDRI). Формати файлів, технологія створення, методи відображення на звичайних вивідних пристроях.

2.5         Стискання графічних файлів

Задача зменшення об’єму графічних файлів. Точні методи стискання числових послідовностей (RLE, LZW, Хафмана). Методи ентропійного стискання. Модель індексації кольорів. Формат GIF-файлів. Алгоритм JPEG-стискання растрових зображень. Основні прийоми зменшення обсягу даних для зберігання при ентропійному стисканні.

Нові методи стискання зображень та відео. Вейвлетне та фрактальне стискання, особливості їх використання.

2.6         Математичний опис переміщень  об’єктів та їх деформацій

Переніс, масштабування та поворот двомірної точки. Однорідні координати та матричне представлення двомірних перетворень. Знаходження матриць зворотних перетворень. Геометрична інтерпретація компонент матриць повороту. Композиція декількох перетворень. Проблема комутативності перемноження матриць перетворень. Підвищення машинної ефективності обчислення матриць складного перетворення.

2.7         Основні  алгоритми обчислювальної  геометрії на площині

Відсікання відрізків. Алгоритм Сазерленда-Кохена. Класифікація точки відносно відрізка. Відстань від точки до прямої. Знаходження перетину двох відрізків. Перевірка належності точки до багатокутника. Обчислення площі багатокутника. Побудова зірчастого полігону. Побудова опуклої оболонки. Перетин опуклих багатокутників. Побудова триангуляції Делоне.

2.8         Базові  растрові алгоритми

Алгоритми виводу прямої лінії: пряме обчислення координат, інкрементні алгоритми. Алгоритм виводу окружності. Алгоритм виводу еліпсу. Геометричний алгоритм для кривої Безьє. Алгоритми виводу фігур: зафарбовування, алгоритми, що використовують математичний опис контуру. Стиль лінії, перо. Алгоритми виводу товстої та пунктирної лінії. Стиль заповнення, пензель.

2.9         Текстурування

Накладання двовимірних проективних текстур. Генерація зразків текстур. Накладання зображень реальних предметів. Накладання мікрорельєфу. Використання текстурних технологій для швидкої імітації ефектів, які для точного виконання потребують значних ресурсів (рендеринг за Фонгом, віддзеркалення одних об’єктів в інших).

 

2.10     Обчислювальна геометрія в тривимірному просторі

Опис площини через: точку та нормаль; три точки; багатокутник, інцидентний цій площині. Знаходження точки перетину площини та просторової прямої. Відсікання  бакатокутника гранями пірамідального видимого об’єму (алгоритм Сазерленда-Ходжмана). Особливості відсікання відрізків за алгоритмом Коена-Сазерленда в тривимірному випадку.

2.11     Моделювання тривимірних тіл

Класифікація методів моделювання 3Д тіл. Опис тривимірних тіл способами дроблення об’єму: за допомогою вокселів, та за допомогою дерев кратності 8 та 2. Моделювання тіл методом конструктивної геометрії. Поверхневі моделі тривимірних тіл. Канонічна трирівнева модель тривимірного тіла, що використовується для візуалізації. Проблеми, пов’язані з перевизначенням опису одного і того ж тіла через різні моделі.

2.12     Візуалізація тривимірних сцен

Поняття про відеоконвейер, та операції, з яких він складається.

Видове перетворення, його зміст та математичний спосіб виконання. Відсікання об’єктів сцени гранями видимого об’єму. Особливості відсікання за умови використання в подальшому центрального проеціювання для побудови зображення.  Видалення невидимих граней, ребер та вершин. Об’єктний алгоритм Робертса для видалення невидимих граней. Екранний алгоритм Z-буфера, його переваги та недоліки. Проекції, їх класифікація. Використання паралельних та центральних проекцій для побудови зображень.

Рендерінг зображень. Модель локальної освітленості сцени. Обчислення закраски за моделями розсіяного освітлення, дифузного відбиття (за Ламбертом) та дзеркального відбиття за Фонгом. Моделі розтушовки закраски (шейдінга), запрпоновані  Гуро та Фонгом. Переваги та недоліки останніх. Модель глобальної освітленості сцени, її допущення. Метод прямого трасування світлових променів, його недоліки. Метод оберненого трасування світлових променів, його обмеження. Метод розподіленого стохастичного оберненого трасування променів (DRT), ефекти, яки можна одержати ним.

Повнофізичній рендерінг тривимірних сцен. Кількісна оцінка ресурсоємності цього методу.

 

3           Перелік навчально-методичної літератури

3.1         Основна

1.      Шикин Е.В., Боресков А.В. Компьютерная графика. Полигональные модели. – М.: ДИАЛОГ–МИФИ, 2000. – 464 с.

2.      Шикин Е.В., Боресков А.В. Компьютерная графика.Динамика, реалистические изображения. – М.: «ДИАЛОГ–МИФИ», 1995. – 288 с.

3.      Порев В.Н. Компьютерная графика. – СПб: БХВ-Петербург, 2002. – 432 с.: ил.

4.      Эйнджел Э. Интерактивная компьютерная графика. Вводный курс на базе OpenGL, 2 изд.: Пер.с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2001. – 592 с.:ил. – Парал. тит. англ.

3.2         Додаткова

5.      Фоли Д., ван Дэм А. Основы интерактивной машинной графики. В 2-х книгах. Пер. с англ. - М.: Мир, 1985. - 368 с.

6.      Роджерс Д. Алгоритмические основы машинной графики. Пер. с англ. М.: Мир , 1989 - 512 с.

7.      Препарата Ф., Шеймос М. Вычислительная геометрия.: Введение. Пер. с англ. - М.: Мир, 1989 - 478 с.

3.3         Методична література