Реферат
МУЛЬТИМЕДИА, ТРЕХМЕРНАЯ ГРАФИКА, ИСТОЧНИКИ ОСВЕЩЕНИЯ, МОДЕЛЬ ОСВЕЩЕНИЯ, ВИЗУАЛИЗАЦИЯ, ПОЛИГОНЫ, РАСТРОВАЯ И ВЕКТОРНАЯ ГРАФИКА, РЕНДЕРИНГ, ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ.
Цель курсового проекта - изучение и полное раскрытие темы по варианту №12 «Построение реалистичных изображений. Модели освещения»
Практическую значимость данной работы трудно переоценить, поскольку современная жизнь городского человека в принципе невозможна без использования мультимедиа технологий, они буквально встречаются на каждом шаге и для их успешного и максимально продуктивного использования требуется понимание по крайней мере основного базиса.
Введение
В современном информационном обществе на смену традиционному подходу приходят инновационные подходы к обучению. Современные технологии образования - это приложение информационных технологий к мультимедиа для создания новых возможностей передачи и восприятия знаний, оценки качества обучения, и, безусловно, всестороннего развития личности обучаемого в ходе учебно-воспитательного процесса.
В настоящее время возрастает роль и значение самостоятельной работы студентов, что предполагает внедрение активных методов овладения информацией, развитие творческих способностей студентов, переход от комплексного к индивидуальному обучению с учетом потребностей и возможностей обучающихся.
Говоря об изменениях в нашем мире, можно смело сказать, что ни одна сфера человеческой деятельности не развивается столь динамично, как индустрия компьютерной графики. Эта по-прежнему сравнительно молодая отрасль уже сумела проникнуть в самые различные области. Среди них моделирование, анимация и визуализация. Они не стоят на месте, и развитие каждой из них - путь совершенствования и прогресса. В результате сегодня мы наблюдаем такие потрясающе реалистичные и правдоподобные изображения, каких не видели никогда прежде. И никогда прежде научные имитационные эксперименты не отличались такой сложностью. И никогда прежде не было таких интерактивных игр с эффектом погружения, как сейчас.
Если в индустрии компьютерной графики в чем-то и можно быть уверенным, то лишь в том, что изменения не просто неотвратимы, они продолжаются, и их интенсивность все увеличивается. Устойчивый рост прошлых лет меркнет в сравнении с нынешней скоростью появления и воплощения в жизнь новых изобретений и идей. Движущая сила этого прогресса - ненасытное желание людей получать более сложные изображения и испытывать более сильные ощущения. Это желание беспредельно, и индустрия компьютерной графики постоянно торопится, пребывая в погоне за «максимальными» переживаниями.
1. Построение реалистичных изображений
1.1 Восприятие человеческим глазом машинной графики
В начале 80-х годов, когда компьютеры стали чаще использоваться в различных областях деятельности, начались попытки применения компьютерной графики в развлекательной сфере, включая кино. Для этого использовалось специальное аппаратное обеспечение и сверхмощные компьютеры, но начало было положено. К середине 80-х компания SGI начала производство высокопроизводительных рабочих станций для научных исследований и компьютерной графики.
В 1984 году в Сайта-Барбаре была основана компания Wavefront. Это название буквально переводится как волновой фронт. Компания немедленно занялась разработкой программного обеспечения для создания трехмерных визуальных эффектов и производством графических заставок для телепрограмм Showtime, Bravo и National Geographic Explorer. Первое приложение, созданное компанией Wave-front, называлось Preview. Затем в 1988 году была выпущена программа Softimage, которая довольно быстро завоевала популярность на рынке продуктов, предназначенных для работы с компьютерной графикой. Все программное и аппаратное обеспечение, использовавшееся для создания анимации в 80-х годах, было специализированным и очень дорогим. К концу 80-х годов в мире насчитывалось всего несколько тысяч человек, занимавшихся моделированием визуальных эффектов. Почти все они работали на компьютерах производства компании Silicon Graphics и использовали программное обеспечение от фирм Wavefront, Softimage и т. п.[3]
Построение реалистичных изображений включает как физические, так и психологические процессы. Свет, то есть электромагнитная энергия, после взаимодействия с окружающей средой попадает в глаз, где в результате физических и химических реакций вырабатываются электроимпульсы, воспринимаемые мозгом.
Скорость адаптации к яркости неодинакова для различных частей сетчатки, но, тем не менее очень высока. Глаз приспосабливается к «средней» яркости обозреваемой сцены; поэтому область с постоянной яркостью (интенсивностью) на тёмном фоне кажется ярче или светлее, чем на светлом фоне. Это явление называется одновременным контрастом
Ещё одним свойством глаза, имеющим значение для машинной графики, является то, что границы области постоянной интенсивности кажутся более яркими, в результате чего области с постоянной интенсивностью воспринимаются, как имеющие переменную интенсивность. Это явление называется эффектом полос Маха. Эффект полос Маха наблюдается, когда резко изменяется наклон кривой интенсивности. Если кривая интенсивности вогнута, то в этом месте поверхность кажется светлее, если выпукла - темнее (рисунок 1).
Рисунок 1. Эффект полос Маха
Из опытов известно, что чувствительность глаза к яркости света изменяется по логарифмическому закону. Причем глаз приспосабливается к средней яркости обозреваемой сцены, поэтому область с постоянной яркостью на темном фоне кажется ярче или светлее, чем на светлом. Это явление называется одновременным контрастом (рисунок 2).
Рисунок 2 Эффект одновременного контраста
Говоря о построении реалистичных изображений да и о компьютерной графике в целом, нельзя не упомянуть стандарт OpenGL, без которого она бы не была возможна в том понимании, в котором мы ее представляем сейчас.
Графический стандарт OpenGL, разработан и утверждён в 1992 году девятью ведущими фирмами, среди которых: DigitalEquipmentCorporation, Evans & Sutherland, Hewlett-PackardCo., IBMCorp., IntelCorp., IntergraphCorp., SiliconGraphicsInc., SunMicrosystemsInc. и конечно же MicrosoftCorp. В основу стандарта была положена библиотека IRISGL, разработанная SiliconGraphics. Это достаточно простая в изучении и использовании графическая система, обладающая при этом поразительно широкими возможностями: стабильность, надёжность, переносимость, простота использования.
Прежде чем говорить о построении реалистичных изображений, необходимо иметь четкое представление о таких понятиях, как способы представления изображения, отличие между растровой и векторной графикой и компьютерная анимация.
Способы представления изображения. Растровое изображение строится из множества пикселей. Векторное изображение описывается в виде последовательности команд. Растровые рисунки эффективно используются для представления реальных образов. Векторная графика не позволяет получать изображения фотографического качества. При масштабировании и вращении растровых картинок возникают искажения. Векторные изображения могут быть легко преобразованы без потери качества. С помощью векторной графики объекты строятся из так называемых "примитивов" - линий, окружностей, кривых, кубов, сфер и т.д. Примитив не нужно рисовать - выбрав пиктограмму с изображением или названием, например, сферы, вы просто задаете ее параметры (координаты центра, радиус, количество граней на поверхности и т.п.), а компьютер чертит ее. Наиболее характерным и очевидным отличием между растровым и векторным изображением является потеря качества растрового изображения при его увеличении (рисунок 3)
Рисунок 3. Потеря качества растрового изображения
Компьютерная анимация. Компьютерная анимация - это получение движущихся изображений на экране дисплее. Художник создает на экране рисунке начального и конечного положения движущихся объектов, все промежуточные состояния рассчитывает и изображает компьютер, выполняя расчеты, опирающиеся на математическое описание данного вида движения. Полученные рисунки, выводимые последовательно на экран с определенной частотой, создают иллюзию движения. Мультимедиа - это объединение высококачественного изображения на экране компьютера со звуковым сопровождением. Наибольшее распространение системы мультимедиа получили в области обучения, рекламы, развлечений.
Итак, в конечном счете любое изображение на экране представляет собой совокупность пикселей. Информация о текущем состоянии экрана хранится в памяти видео-карты. Если подобным же образом организован и графический файл с данными, то мы имеем дело с растровой графикой. Например, такие файлы получаются при использовании программ Paint, Adobe Photoshop и других. В таких программах существенную часть работы по построению изображения надо делать вручную. В связи с этим растровые пакеты можно отнести к средствам компьютерной живописи. Другой подход заключается в том, чтобы при построении изображения в максимальной степени использовать математическое описание. Например, для описания отрезка прямой достаточно указать координаты его концов, а окружность можно описать, задав координаты центра и радиус. Этот подход реализован в программах векторной графики. Примерами таких программ могут служить Corel Draw, Macromedia FreeHand. Такая технология позволяет давать компьютеру указания (команды), руководствуясь которыми он строит изображения с помощью заложенных в программу алгоритмов. Этот метод больше походит на черчение, причем часто трехмерное
1.2 Трёхмерная компьютерная графика
Также, для создания реалистичных изображений на сегодняшний день используют трёхмерную графику.
Этот вид компьютерной графики вобрал в себя очень много из векторной, а также из растровой компьютерной графики. Применяется она при разработке дизайн-проектов интерьера, архитектурных объектов, в рекламе, при создании обучающих компьютерных программ, видео-роликов, наглядных изображений деталей и изделий в машиностроении и др. Трёхмерная компьютерная графика позволяет создавать объёмные трёхмерные сцены с моделированием условий освещения и установкой точек зрения. Для изучения приёмов и средств композиции, таких как передача пространства, среды, светотени, законов линейной, воздушной и цветовой перспективы здесь очевидны преимущества этого вида компьютерной графики над векторной и растровой графикой. В трехмерной графике изображения (или персонажи) моделируются и перемещаются в виртуальном пространстве, в природной среде или в интерьере, а их анимация позволяет увидеть объект с любой точки зрения, переместить в искусственно созданной среде и пространстве, разумеется, при сопровождении специальных эффектов.
Трёхмерная компьютерная графика, как и векторная, является объектно-ориентированной, что позволяет изменять как все элементы трёхмерной сцены, так и каждый объект в отдельности. Этот вид компьютерной графики обладает большими возможностями для поддержки технического черчения. С помощью графических редакторов трёхмерной компьютерной графики, например Autodesk 3D Studio, можно выполнять наглядные изображения деталей и изделий машиностроения, а также выполнять макетирование зданий и архитектурных объектов, изучаемых в соответствующем разделе архитектурно-строительного черчения. Наряду с этим может быть осуществлена графическая поддержка таких разделов начертательной геометрии, как перспектива, аксонометрические и ортогональные проекции, т.к. принципы построения изображений в трёхмерной компьютерной графике частично заимствованы из них. Для декоративно-прикладного искусства трёхмерная компьютерная графика предоставляет возможность макетирования будущих изделий с передачей фактуры и текстуры материалов, из которых эти изделия будут выполнены.
Возможность увидеть с любых точек зрения макет изделия до его воплощения в материале позволяет внести изменения и исправления в его форму или пропорции, которые могут быть уже невозможны после начала работы (например, ювелирные изделия, декоративное литьё из металла и др.). В том же направлении трёхмерная компьютерная графика может быть использована для поддержки скульптуры, дизайна, художественной графики и др. Объёмная трёхмерная анимация и спецэффекты также создаются средствами трёхмерной графики. Создание учебных роликов для обучающих программ может стать основным применением этих возможностей трёхмерной компьютерной графики. К средствам работы с трёхмерной графикой,относят такой графический редактор как 3D Studio MAX. Это один из самых известных трёхмерных редакторов, он часто используется при создании фильмов. Разработка программы 3D Studio МАХ была начата в 1993 году. Версия 3D Studio МАХ 1.0 вышла в 1995 году на платформе Windows NT.
Трёхмерная графика оперирует с объектами в трёхмерном пространстве. Обычно результаты представляют собой плоскую картинку, проекцию. Трёхмерная компьютерная графика широко используется в кино, компьютерных играх.
Сложные объекты строятся из примитивов, на основе многоугольников (полигонов) или кривых (сплайнов), причем сплайновые модели имеют более гладкую форму, чем полигональные (рисунок 4).
Рисунок 4. Сплайновые и полигональные модели
Затем выбираются материалы (текстуры) и запускается процесс визуализации: Рендеринг (Rendering), то есть процедура построения реалистичного изображения по созданной каркасной модели и указанным материалам (Рисунок 3). Любой полигон можно представить в виде набора из координат его вершин. Так, у треугольника будет 3 вершины. Координаты каждой вершины представляют собой вектор (x, y, z). Умножив вектор на соответствующую матрицу, мы получим новый вектор. Сделав такое преобразование со всеми вершинами полигона, получим новый полигон, а преобразовав все полигоны, получим новый объект, повёрнутый/сдвинутый/промасштабированный относительно исходного
Полученное в результате рендеринга изображение можно сохранить в файле определенного формата и таким образом сделать его пригодным к демонстрации вне программы, с помощью которой создано это изображение (рисунок 5)
Рисунок 5. Полигональная модель и модель после рендеринга
Всеми визуальными преобразованиями в 3D-графике управляют матрицы (см. также: аффинное преобразование в линейной алгебре). В компьютерной графике используется три вида матриц: матрица поворота, матрица сдвига, матрица масштабирования.