Написать рефераты, курсовые и дипломы самостоятельно.  Антиплагиат.
Студенточка.ru: на главную страницу. Написать самостоятельно рефераты, курсовые, дипломы  в кратчайшие сроки
Рефераты, курсовые, дипломные работы студентов: научиться писать  самостоятельно.
Контакты Образцы работ Бесплатные материалы
Консультации Специальности Банк рефератов
Карта сайта Статьи Подбор литературы
Научим писать рефераты, курсовые и дипломы.


Воспользуйтесь формой поиска по сайту, чтобы найти реферат, курсовую или дипломную работу по вашей теме.

Поиск материалов

Машинная графика

Программирование

Введение

Быстрое развитие вычислительных средств, расширение их возможностей, а также (как следствие) постоянное снижение цен на них являются главным фактором всё более широкого их внедрения в различные сферы научной и практической деятельности.

В связи с этим возникла необходимость в новой отрасли информатики - машинной графике. Её можно определить как науку о математическом моделировании геометрических форм и облика объектов, а также методов их визуализации. Машинная графика работает с графическими объектами, преобразует их и синтезирует на экране графического дисплея. В зависимости от направления, в котором преобразуются и передаются данные (по отношению к ЭВМ), способа их визуального представления и типа объектов визуализации, различают три области применения машинной графики: синтез изображения, анализ изображения и обработка изображения.

Исключительно интенсивно развивается направление компьютерного синтеза изображений. Основной задачей, решаемой в этой области, является генерация изображения и вывод его на конкретное устройство графического вывода.

Интерес к синтезу изображений объясняется высокой информативностью последних. Информация, содержащаяся в изображении представлена в наиболее концентрированной форме, и эта информация, как правило, более доступна для анализа: для её восприятия получателю достаточно иметь относительно небольшой объём специальных знаний.

Стремление визуализировать информацию наблюдается практически во всех сферах деятельности человека. Безусловно, данные воспринимаются легче и быстрее, если они представлены в виде диаграмм, графиков, условных схем, планов и т. п., по сравнению с их описанием, использующем длинные ряды значений различных числовых параметров.

Методы трёхмерной машинной графики позволяют визуализировать сложные функциональные зависимости, получить изображения проектируемых, ещё не созданных объектов, оценить облик предмета из недоступной для наблюдения позиции и решить ряд других аналогичных задач. Математическое моделирование трёхмерных сюжетов требует учёта трёхмерности пространства предметов, расположенных в нём источников освещения и наблюдателя.

Персональные компьютеры стали базой для широкого использования методов машинной графики. Машинная графика стала инструментом не только инженеров-исследователей, но и специалистов многих других отраслей, непосредственно не связанных ни с техникой, ни с программированием. Постоянное увеличение памяти и скорости обработки информации в персональных ЭВМ, создание видеокомплексов с широким набором программ машинной графики, возможность управления ими в диалоговом режиме способствуют дальнейшему развитию применения машинной графики.

Одним из наиболее новых направлений в машинной графике является разработка принципов и методов формирования реалистичных изображений, т. е. изображений, максимально приближенных к реальному. Построенное таким образом изображение в идеале должно восприниматься человеком как настоящее. Потребность в создании реалистичных изображений возникает в таких областях, как дизайн, машиностроительное и архитектурное проектирование, реклама и т. п. В ряде применений реалистичность используется как средство повышения эмоционального воздействия изображения, как, например, в рекламе, в других же отраслях - как средство оценки качества выбранных решений (в архитектурном планировании, дизайне и др.), в третьих - как средство создания реалистичной обстановки (видеотренажёры, системы распознавания образов). В системах формирования реалистичных изображений должна обеспечиваться передача всей совокупности изобразительных свойств: объёмность, расположение предметов в сюжете, полутона, цвет, текстура поверхности. Теоретические исследования последних лет в значительной мере были направлены на разработку методов и средств отображения всей совокупности характеристик сюжетов в синтезируемом изображении.

Поистине безграничные возможности даёт совместное использование теле- и видеотехнологий и методов машинной графики. Таким образом решается проблема совмещения двух генеральных направлений машинной графики - придание изображению необходимой динамики и придание изображению необходимой реалистичности. Достижения этого новейшего направления мы постоянно видим на экранах телевизоров в тех же рекламных заставках, его средствами создаются даже целые фильмы. Для большинства зрителей кажется удивительным, что всё изображаемое существует в зашифрованном виде - в виде формул и текстов программ. Ещё большее удивление, граничащее с почти нескрываемым недоверием к услышанному, вызывает у них количество людских и временных усилий, затрачиваемых на создание крохотного ролика.

Алгоритмы, используемые для получения реалистичных изображений.

Для получения трёхмерных и/или реалистичных изображений применяются многие методы и алгоритмы: алгоритм, использующий Z - буфер; алгоритм построчного сканирования; метод излучательности; простой алгоритм закраски; алгоритм закраски по методу Гуро; алгоритм закраски по методу Фонга и т.д. Дадим краткую характеристику некоторых из них.

Алгоритм, использующий Z-буфер.

Одним из простейших алгоритмов удаления невидимых поверхностей является алгоритм, использующий Z-буфер. Этот алгоритм работает в пространстве изображения. Здесь обобщается идея о буфере кадра. Буфер кадра используется для заполнения атрибутов (интенсивности) каждого пиксела в пространстве изображения. Наряду с буфером кадра вводится Z-буфер, представляющий собой специальный буфер глубины, в котором запоминаются глубины (координаты Z) каждого видимого пиксела в пространстве изображения. В процессе работы глубина каждого нового пиксела, который надо занести в буфер кадра, сравнивается с глубиной того пиксела, который уже занесен в Z-буфер. Если это сравнение показывает, что новый пиксел расположен ближе к наблюдателю, чем пиксел, уже находящийся в буфере кадра, то новый пиксел заносится в буфер кадра. Помимо этого производится корректировка Z-буфера: в него заносится глубина нового пиксела. Если же глубина нового пиксела меньше или равна хранящемуся в буфере, то никаких действий производить не надо. В сущности алгоритм для каждой точки (x, y) находит наибольшее значение функции Z (x, y).

Этот алгоритм, несмотря на свою простоту, позволяет удалять сложные поверхности и позволяет визуализировать пересечения таких поверхностей. Сцены могут быть произвольной сложности, а поскольку размеры изображения ограничены размером экрана дисплея, то трудоемкость алгоритма имеет линейную зависимость от числа рассматриваемых поверхностей. Элементы сцены заносятся в буфер кадра в произвольном порядке, поэтому в данном алгоритме не тратится время на выполнение сортировок, необходимых в других алгоритмах. Один из недостатков алгоритма - большой объём требуемой памяти - может быть достаточно просто решён использованием расширенной памяти. К другим недостаткам алгоритма относятся - трудоемкость устранения лестничного эффекта и невозможность реализации эффектов прозрачности (простое пропускание света можно встроить в любой другой алгоритм удаления невидимых поверхностей).

Алгоритм построчного сканирования.

Алгоритм построчного сканирования устраняет недостаток алгоритма с Z-буфером, связанный с большим объёмом требуемой памяти. Он работает в пространстве изображения и обобщает идеи растровой развертки многоугольников. Алгоритм сводит трехмерную задачу удаления невидимых линий и поверхностей к двумерной. Сканирующая плоскость определяется точкой наблюдения, расположенной в бесконечности на положительной полуоси Z, и сканирующей строкой, соответствующей очередной строке экрана дисплея. Пересечение сканирующей плоскости и трехмерной сцены определяет окно размером в одну сканирующую строку. Задача удаления невидимых поверхностей решается в пределах этого окна, образованного сканирующей плоскостью. Как и в предыдущем алгоритме, создаётся Z-буфер, но по объёму соответствующий количеству пикселов только одной строки экрана. Первоначально этот буфер заполняется минимальным значением Z, а в буфер кадра заносится фоновое значение интенсивности. Затем определяется пересечение сканирующей строки с проекцией каждого многоугольника на плоскость XOY (если эти пересечения существуют). Пересечения образуют пары, поэтому в интервале между концами пар глубина многоугольника сравнивается с глубиной, содержащейся в Z-буфере. Если глубина рассматриваемого пиксела многоугольника больше значения из Z-буфера, то рассматриваемый многоугольник будет текущим видимым. Атрибуты этого многоугольника заносятся в буфер кадра в текущую позицию, одновременно корректируется и значение глубины в Z-буфере. После обработки всех многоугольников сцены буфер размером в одну строку содержит решение задачи об удалении невидимых поверхностей для данной сканирующей строки и может выводиться на экран. Для повышения эффективности работы используется список активных многоугольников.

Метод излучательности.

Основными недостатками метода трассировки лучей (подробно рассмотрен ниже) являются неэффективность работы с диффузными поверхностями и то, что определение освещённости поверхностей производится параллельно с построением изображения и зависит от положения наблюдателя так, что любое изменение положения наблюдателя ведёт к полному пересчёту всей сцены.

Метод излучательности устраняет эти недостатки, обеспечивая одновременно и высокую точность при работе с диффузными объектами, и отдельное вычисление глобальной освещённости независимо от положения наблюдателя.

В основе метода излучательности лежит закон сохранения энергии в замкнутой системе. Все объекты разбиваются на фрагменты и для этих фрагментов составляются уравнения баланса энергии.

Для определения цвета фрагмента соответствующие линейные системы записываются для каждой из трёх основных цветовых составляющих, причём коэффициенты формы определяются только геометрией сцены и от цвета не зависят.

Обычно после определения освещённости каждого фрагмента производится билинейная интерполяция освещённости по всем объектам, дающая плавное естественное освещение.

Простой алгоритм закраски.

Самый простой способ закрашивания называется гранением или однотонной закраской. Он требует сравнительно небольших ресурсов компьютера, поскольку предполагает лишь заполнение каждого из многоугольников одним цветом или оттенком, который определяется с использование лишь одной нормали - нормали к рассматриваемому многоугольнику. Однако такой способ закраски слишком примитивен; закрашенные этим способом объекты выглядят не плавными, а так как если бы они были покрыты рыбными чешуйками.

Алгоритм закраски по методу Гуро.

Более реалистические изображения получаются в случае закрашивания методом Гуро. При таком способе закраски яркость и цветовая насыщенность каждого многоугольника плавно меняется не только от угла к углу, но и вдоль его ребер. Такое закрашивание осуществляется в четыре этапа:

вычисление нормалей к граням;

определение нормалей в вершинах путём усреднения нормалей по граням, которым принадлежит данная вершина;

вычисление интенсивности вершин;

закрашивание многоугольника, при котором интенсивность каждого его пиксела определяется путем билинейной интерполяции значений интенсивности в вершинах.

Основной недостаток - эффект полосы Маха: на ребрах смежных многоугольников возникает полоса разрыва непрерывности. Это происходит потому, что такой метод интерполяции обеспечивает лишь непрерывность значений интенсивности вдоль границ многоугольников, но не обеспечивает непрерывности изменения интенсивности.

Алгоритм закраски по методу Фонга.

Закраска Фонга требует больших вычислительных затрат, однако она позволяет разрешить многие проблемы метода Гуро, в том числе и проблему полосы Маха, поскольку предполагает плавное изменение яркости и насыщенности не только вдоль ребер каждого многоугольника, но и по самой поверхности. При закраске Гуро вдоль сканирующей строки интерполируется значение интенсивности, а при закраске Фонга - вектор нормали. Затем она используется в модели освещения для вычисления интенсивности пиксела. При этом достигается лучшая локальная аппроксимация кривизны поверхности и, следовательно, получается более реалистичное изображение. В частности, правдоподобнее выглядят зеркальные блики.

Хотя, метод Фонга устраняет большинство недостатков метода Гуро, он тоже основывается на линейной интерполяции. Поэтому в местах разрыва первой производной интенсивности заметен эффект полос Маха, хотя и не такой сильный, как при закраске Гуро. Однако, иногда этот эффект проявляется сильнее у метода Фонга, например для сфер. Кроме того, оба метода могут привести к ошибкам при изображении невыпуклых многоугольников.

Также возникают трудности, когда любой из этих методов применяется при создании последовательности кинокадров. Например, закраска может значительно изменяться от кадра к кадру. Это происходит из-за того, что правило закраски зависит от поворотов, а обработка ведётся в пространстве изображения. Поэтому, когда от кадра к кадру меняется ориентация объекта, его закраска (цвет) тоже изменяется, причём достаточно заметно.


Описание предмета: «Программирование»

Программирование - процесс подготовки задач для их решения с помощью компьютера; итерационный процесс составления программ.

Программное обеспечение - комплекс программ: - обеспечивающих обработку или передачу данных; - предназначенных для многократного использования и применения разными пользователями.

По видам выполняемых функций программное обеспечение подразделяется на системное, прикладное и инструментальное.

Литература

  1. А.М. Бродский, Э.М. Фазулин, В.А. Халдинов. Черчение (металлообработка). – М.: Академия, 2012. – 400 с.
  2. А.М. Бродский, Э.М. Фазлулин, В.А. Халдинов. Инженерная графика. – М.: Академия, 2012. – 400 с.
  3. П.Н. Учаев, С.Г. Емельянов, К.П. Учаева, Ю.А. Попов. Компьютерные технологии и графика. Атлас. – М.: ООО "ТНТ", 2012. – 276 с.
  4. Д.В. Иванов, А.С. Карпов, Е.П. Кузьмин, В.С. Лемпицкий, А.А. Хропов. Алгоритмические основы растровой машинной графики. – М.: Интернет-университет информационных технологий, Бином. Лаборатория знаний, 2007. – 304 с.
  5. В.С. Левицкий. Машиностроительное черчение и автоматизация выполнения чертежей. – М.: Высшая школа, 2007. – 440 с.
  6. Ермакова В.А., Киселевич А.Д., Корнеев А.С. Лабораторный практикум по машиностроительной графике. – М.: Высшая школа, 2006. – 272 с.
  7. Н.Н. Крылов, Г.С. Иконникова, В.Л. Николаев, В.Е. Васильев. Начертательная геометрия. – М.: Высшая школа, 2010. – 224 с.
  8. А.М. Бродский, Э.М. Фазлулин, В.А. Халдинов. Черчение (металлообработка). – М.: Академия, 2010. – 400 с.
  9. А.М. Бродский, Э.М. Фазлулин, В.А. Халдинов. Инженерная графика. – М.: Академия, 2010. – 400 с.
  10. А.Ф. Крайнев. Машиноведение на языке схем, рисунков, чертежей. В 2 книгах. Книга 1. Технологии, машины и оборудование. – М.: Спектр, 2010. – 296 с.
  11. И.Гардан, М.Люка. Машинная графика и автоматизация конструирования. – М.: Мир, 1987. – 272 с.
  12. А.М. Бродский, Э.М. Фазлулин, В.А. Халдинов. Инженерная графика. – М.: Academia, 2011. – 400 с.
  13. В.С. Квагинидзе. Монтаж, демонтаж, ремонт, опробование и техническое обслуживание механической части машин, узлов и механизмов распределительных устройств. – М.: Академия-медиа, Academia, 2012. – 368 с.
  14. А.М. Бродский, Э.М. Фазлулин, В.А. Халдинов. Инженерная графика. – М.: Academia, 2013. – 400 с.
  15. А.М. Бродский, Э.М. Фазлулин, В.А. Халдинов. Инженерная графика. Учебник. – М.: Academia, 2013. – 400 с.
  16. Н.М. Колесниченко, Н.Н. Черняева. Инженерная и компьютерная графика. Учебное пособие. – М.: Инфра-Инженерия, 2018. – 236 с.
  17. Алгоритмические основы растровой машинной графики. – М.: , . –  с.


Образцы работ

Тема и предметТип и объем работы
История развития графики
Культурология
Курсовая работа
35 стр.
Информационные технологии в туризме
Информационные технологии управления
Курсовая работа
20 стр.



Задайте свой вопрос по вашей проблеме

Гладышева Марина Михайловна

marina@studentochka.ru
+7 911 822-56-12
с 9 до 21 ч. по Москве.

Внимание!

Банк рефератов, курсовых и дипломных работ содержит тексты, предназначенные только для ознакомления. Если Вы хотите каким-либо образом использовать указанные материалы, Вам следует обратиться к автору работы. Администрация сайта комментариев к работам, размещенным в банке рефератов, и разрешения на использование текстов целиком или каких-либо их частей не дает.

Мы не являемся авторами данных текстов, не пользуемся ими в своей деятельности и не продаем данные материалы за деньги. Мы принимаем претензии от авторов, чьи работы были добавлены в наш банк рефератов посетителями сайта без указания авторства текстов, и удаляем данные материалы по первому требованию.

Контакты
marina@studentochka.ru
+7 911 822-56-12
с 9 до 21 ч. по Москве.
Поделиться
Мы в социальных сетях
Реклама



Отзывы
Ирина
Добрый вечер! Поздравляю с Новым годом и Рождеством!