Геометрическое моделирование и компьютерная графика

1.

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра «Информационно-вычислительные системы»
Презентация по дисциплине
«Геометрическое моделирование и
компьютерная графика»
Профессор каф.ИВС, д.т.н. Косников Ю.Н.

2.

Понятие и компоненты компьютерной графики
и геометрического моделирования
Компьютерная графика – система методов, алгоритмов и программ для ввода,
обработки и отображения информации на графических устройствах ЭВМ.
Другое определение: это комплекс аппаратных и программноалгоритмических средств для создания, хранения, обработки и наглядного
представления графической информации с помощью ЭВМ.
Компоненты компьютерной графики:
- Эргономический (требования к характеристикам изображений – форме,
размерам, цвету и пр.);
- Информационный (описания изображений, визуальные базы данных);
- Математический (математические методы и приемы описания, преобразования
и обработки изображений);
- Алгоритмический («логика» компьютерной графики, алгоритмы обработки);
- Технический (технические средства ввода, синтеза, обработки, хранения, вывода
изображений);
- Программный (процедуры и библиотеки графики, графические пакеты
прикладных программ);
- Языковый (графические языки для описания изображений и операций над
ними)

3.

Понятие и компоненты компьютерной графики
и геометрического моделирования
Разновидности компьютерной графики
По назначению
- Конструкторская (представление чертежей, планов, внешних видов объектов);
- Иллюстративная (наглядное, эстетическое представление объектов);
- Анимационная (представление движущихся объектов);
- Деловая (изготовление проектных, отчетных, презентационных, плановых
документов, содержащих социально-экономическую информацию); и другие
По мерности отображаемого пространства:
- Графика двухмерных объектов (2d-графика),
- Комбинированная графика (2,5d-графика),
- Графика трехмерных объектов (3d-графика).
2,5d-представление
рельефа местности
По уровню взаимодействия с пользователем:
- Пассивная, или автоматическая (возможен только вывод изображений на
информационное поле пользователя),
- Интерактивная, или диалоговая (возможно влияние пользователя на вид и
поведение графических объектов).
По принципу описания и формирования изображений:
- Векторная (формульное описание, формирование изображений из линий);
- Растровая (точечное описание и формирование изображений);
- Векторно-растровая (векторное описание и растровый (точечный) вывод).

4.

Понятие и компоненты компьютерной графики
и геометрического моделирования
Основные понятия геометрического моделирования
В компьютерной графике отображаются не сущности реального
мира, а сущности модельного мира, т.е. информационные модели
реальных или вымышленных объектов или процессов
Модельный мир (или просто – мир) – совокупность представленных своими
моделями сущностей (объектов), изображения которых могут появиться в поле
вывода графической системы параллельно или последовательно во времени.
Пример: кампания компьютерной игры.
Сцена – часть модельного мира – совокупность представленных своими
моделями сущностей (объектов), отвечающих решаемой в данный момент
задаче отображения. Пример: уровень компьютерной игры.
Графический объект – совокупность точек модельного
пространства, объединенных функциональной общностью с точки
зрения решаемой целевой задачи. Пример: трехмерный дракон
в компьютерной игре.
Геометрический примитив – используемая для построения сложных объектов простая
геометрическая фигура (точка, линия, поверхность, тело), имеющая формализованное
описание. Пример: плоский треугольник.
С геом.примитивом не надо путать графический примитив. Это элемент изображения.

5.

Понятие и компоненты компьютерной графики
и геометрического моделирования
Геометрическое моделирование – процесс создания и преобразования
информационной модели геометрического объекта.
Компоненты геометрического моделирования:
- описание геометрических свойств (формы, состава, размеров) объекта в целом
и составляющих его примитивов;
- преобразования объекта и примитивов в пространстве;
- сопряжение примитивов в объекте, объектов в сцене.
Методы геометрического моделирования:
3 3
- аналитическое описание объектов;
x(u, v ) C X i j u 3 i v 3 j ,
i 0 j 0
- описание объектов множествами;
- описание объектов с помощью графов;
- описание объектов с применением смешивающих функций;
- аппарат геометрических преобразований;
- аппарат проективных преобразований;
- работа с нормалями;
- метод разделения пространства;
- …
set
set E
set C
G=CՈĒ

6.

ЭРГОНОМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ
Особенности зрительного восприятия человека
Потребителем продукта компьютерной графики является человек, поэтому его
особенности нужно учитывать. Это делает наука эргономика (Англия, 1949 г.). Она
направлена на совершенствование средств, с помощью которых человек
осуществляет трудовой процесс, в частности – средств компьютерной графики.
Для выбора средств компьютерной графики нужно знать
особенности восприятия информации человеком.
Прием внутренней и внешней информации ведется человеком с помощью
анализаторов – подсистем центральной нервной системы. Анализатор имеет
центральную часть в коре головного мозга и периферическую часть (рецепторы) –
на поверхности тела или во внутренних органах.
Для систем виртуальной реальности особое значение имеют три анализатора:
зрительный, слуховой и тактильный. Для компьютерной графики особенно важен
зрительный анализатор, так как человек 80 – 90% информации воспринимает
через зрение.
Зрительный анализатор имеет множество характеристик, которые можно
разделить на три группы: геометрические, энергетические и временные.

7.

Особенности зрительного восприятия человека
Характеристики зрительного анализатора тесно связаны с характеристиками
изображения, поэтому они рассматриваются совместно, но их не надо путать.
Характеристика изображения
Характеристика зрительного анализатора
Геометрические характеристики
Угловой размер, град, мин, сек
Острота зрения (1 угловая минута)
Энергетические характеристики
Яркость, кд/кв.м
Комфортная яркость (от нескольких десятков до
нескольких сотен кд/кв.м)
Яркостный контраст, %
Порог яркостной контрастной чувствительности
(3 – 6)%
Цветовая палитра, к-во оттенков
Порог цветовой контрастной чувствительности
(несколько сотен оттенков)
Временные характеристики
Частота регенерации, Гц
Частота смены фаз динамики, ГЦ
Критическая частота мельканий (14 – 70) Гц
Частота слитной динамики (16 – 24) Гц, лучше
(30 – 50) Гц

8.

Особенности зрительного восприятия человека
Угловой размер изображения – угол
между лучами, проведенными от
точки наблюдения к крайним точкам
изображения.
Острота зрения – максимальный угол,
под которым изображение
воспринимается как точка
V
α
L
Яркостный контраст – относительное
различие яркостей изображения Bи и
фона Bф одного цвета. Бывает прямым и
обратным.
Порог яркостной контрастной
чувствительности – минимальное
различие между яркостями фона и
изображения, замечаемое глазом
H
Вф − Ви
Ви − Вф
Кпр =
100%, Кобр =
100%,
Вф
Ви
Частота регенерации – частота
обновления изображения
Критическая частота (слияния)
мельканий – частота регенерации, при
которой изображение, предъявляемое
фазами (мелькающее), воспринимается
глазом как немелькающее, слитное
Частота смены фаз динамики – частота
перерисовки сцены (FPS).
Частота слитной динамики – частота
перерисовки, при которой динамика
изображения воспринимается как слитная,
а не скачкообразная