Компьютерная графика. Введение

1. Компьютерная графика Введение

Information
Technology,
Mathematics &Технологий,
Mechanics (ITMM)
institute и
Институт
Информационных
Математики
Software & SupercomputingМеханики
Technology department
(ИИТММ)
Computer Graphics
Компьютерная графика
Введение
Турлапов, Вадим Евгеньевич проф. каф. МОСТ, [email protected]
Преподаватели практики:
Васильев Евгений П., Носова Светлана А., Пухкий Константин К.

2. Инженерная графика

Обучающий центр CADInstructor (https://cadinstructor.org/eg/)
2009_Пиралова_Инженерная графика. Краткий курс /Б-ка
Академии естествознания
(https://www.monographies.ru/ru/book/view?id=67)
Изложен теоретический материал для изучения дисциплины «Инженерная графика».
Данный краткий курс разделен на две части. Часть 1 – Начертательная геометрия,
является основой для изучения данного предмета. При этом особое внимание
уделено ортогональному проецированию. Предложены примеры решения
позиционных и метрических задач, необходимых для более глубокого усвоения
предложенной информации. Часть 2 – Основы инженерной графики, содержит
сведения, необходимые для выполнения и оформления машиностроительных
чертежей; описаны техника и принципы нанесения размеров; правила выполнения
электрических схем. Учебник предназначен для подготовки бакалавров и
специалистов информационно-телекоммуникационных направлений инженернотехнических вузов и соответствует содержанию государственного образовательного
стандарта.
Пособие «Инженерная графика» Тамбовский ГТУ, 2010 (local link)
Гаспар Монж (1746—1818),
граф де Пелюз.
Бесплатные аналоги AutoCAD (https://freeanalogs.ru/AutoCAD):
FreeCAD; T-FLEX CAD; DraftSight Free CAD; QCAD Community Edition; nanoCAD
free; …
AutoCAD и его платные аналоги:
1. ZWCAD - один из наиболее популярных и раскрученных аналогов AutoCAD,
разработчиком которого является китайская компания ZWSoft. Программа имеет
привычный «автокадовский» интерфейс, грамотно русифицированное меню,
стандартный набор инструментов. ZWCAD Classic полностью совместим
с AutoCAD, включая версию 2016.
2. BricsCAD: https://www.bricsys.com/ru-ru/?utm_source=google&utm_medium=cpc&utm_campaign=RU_ru_autocad
2/23

3. Инженерная графика

Классификация чертежей Межгосударственным стандартом проведена:
1.по отраслям: технические чертежи, строительные чертежи;
2.по назначению — в каждой из двух выше указанных отраслей.
3.по стадиям проекта: эскизные, технические (общего вида), рабочие
Технические чертежи, согласно ГОСТ 2.102 2013, классифицируются по назначению[13]:
•чертеж детали — документ, содержащий изображение детали и другие данные, необходимые для ее изготовления и контроля;
•сборочный чертеж — документ, содержащий изображение сборочной единицы и другие данные, необходимые для ее сборки
(изготовления) и контроля. К сборочным чертежам также относят чертежи, по которым выполняют гидромонтаж и пневмомонтаж;
•чертеж общего вида — документ, определяющий конструкцию изделия, взаимодействие его составных частей и поясняющий
принцип работы изделия;
•теоретический чертеж — документ, определяющий геометрическую форму (контур) изделия и координаты расположения
составных частей;
•габаритный чертеж — документ, содержащий контурное (упрощенное) изображение изделия с габаритными, установочными и
присоединительными размерами;
•электромонтажный чертеж — документ, содержащий данные, необходимые для выполнения электрического монтажа изделия;
•монтажный чертеж — документ, содержащий контурное (упрощенное) изображение изделия, а также данные, необходимые для
его установки (монтажа) на месте применения. К монтажным чертежам также относят чертежи фундаментов, специально
разрабатываемых для установки изделия;
•упаковочный чертеж — документ, содержащий данные, необходимые для выполнения упаковывания изделия.
Строительные чертежи в составе проектной документации для строительства классифицируются по назначению[14]:
•в ГОСТ 21.501-2011:
1.чертежи архитектурных решений — чертежи здания или сооружения, отображающие авторский замысел объекта с
комплексным решением пространственных, планировочных, функциональных и эстетических требований к нему,
зафиксированный в виде контурного условного изображения несущих и ограждающих конструкций;
2.чертежи конструктивных решений — чертежи, отображающие в виде условных изображений строительные конструкции
(железобетонные, каменные, металлические, деревянные, пластмассовые и т.п.), примененные в зданиях или сооружениях, и их
взаимное размещение и соединение;
•в ГОСТ 21.508-93:
1.рабочие чертежи генерального плана;
2.эскизные чертежи общих видов нетиповых изделий, конструкций, устройств и малых архитектурных форм (эскизные чертежи
общих видов нетиповых изделий)
3/23

4. История компьютерной графики

В 1969 году была создана SIGGRAPH (Special-Interest Group) при ACM (Association for
Computing Machinery), которая ведет активную деятельность во всем мире и сегодня
(зафиксировано участие в ежегодном собрании SIGGRAPH до 30000 человек).
Международные конференции по КГ. SIGGRAPH.org, SIGGRAPH, SIGGRAPH Asia, Open Access
Education Courses (http://education.siggraph.org/).
Первая конференция по КГ в бывшем СССР: Новосибирск, 1977.
Далее в России - GraphiCon, при поддержке ассоциаций SIGGRAPH и EuroGraphics :
1)
Москва (1991, 1992, 1997-2000, 2003-2004, 2007-2009, 2011-2012, 2015),
2)
С.-Петербург (1993, 1995, 1996, 2010, 2020),
3)
Н.Новгород (1994, 2001, 2002, 2016, 2021)
4)
Новосибирск (2005, 2006).
5)
Владивосток (2013), Ростов-на-Дону (2014), Пермь (2017), Томск (2018), Брянск (2019)
Современные центры компьютерной графики в России.
Было ли что-нибудь в СССР до 1977 года и что было между 1977 и 1991
Центры: ИПМ РАН (АН СССР), ИПУ РАН, МГУ, Сиб. Отд. РАН, ННГУ, СПбГУ, ИТКиб АН БССР,
НИЦАСК…
Конференции и выставки
Сегодня: ГРАФИКОН - некоммерческое сообщество специалистов в области компьютерной
графики, машинного зрения и обработки изображений. ГРАФИКОН было создано в 2010 году на
базе ежегодно проводимой с 1991 года международной конференции GraphiCon,
http://graphicon.ru/. Журнал: http://graphicon.ru/ru/journal
4/23

5. Компьютерная графика в широком смысле и Visual Computing

Visual Computing: high performance computing (HPC) in area of the Computer Graphics in wide sense.
Изображение
Обработка изображений
Image Processing (IP)
Изображение
Изображение
Компьютерное зрение
Computer Vision (CV)
Модель
(Описание)
Модель
(Описание)
Компьютерная графика
Computer Graphics (CG)
Изображение
Scientific Visualization, CAE
Изображение
CAE, CAD
+
Модель
(уравнения)
5/23
Вычисления / Computing

6. Graphics and Visual Computing (GV)

Складывается также и общий термин, определяющий одновременно компьютерную
графику и Visual Computing, не выделяя специально вопросы производительности
вычислений: Graphics and Visual Computing (GV) (см. “Computer Science Curriculum
2008” (https://www.acm.org/binaries/content/assets/education/curricularecommendations/computerscience2008.pdf), стр.74-78.
Вся область делится также на четыре, но уже несколько отличающихся,
составляющих:
компьютерная графика; научная визуализация;
виртуальная реальность; компьютерное зрение.
Для изучения область GV делится на 13 разделов:
1)GV/FundamentalTechniques [core]; 2)GV/GraphicSystems [core];
3)GV/GraphicCommunication; 4)GV/GeometricModeling; 5)GV/BasicRendering;
6)GV/AdvancedRendering; 7)GV/AdvancedTechniques; 8)GV/ComputerAnimation;
9)GV/Visualization; 10)GV/VirtualReality; 11)GV/ComputerVision;
12)GV/ComputationalGeometry [elective]; 13)GV/GameEngineProgramming [elective].
С содержанием разделов можно познакомиться по указанной выше ссылке. В данном
курсе мы познакомимся в той или иной степени со всеми разделами, кроме 13.
6/23

7. The world-level experience of the UNN CG-Lab

1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
7
ETISEO – Worldwide Contest in Videosurveillance (against terrorism),
organized by INRIA (France), 2006-2007 (https://www-sop.inria.fr/orion/ETISEO/): 16
participants (5 specialized firms, 11 universities). 5 first places were taken by specialized
companies. Our team ranked 3rd among universities.
Real-time unlimited size relief 3D-reconstruction with modeling of some natural
phenomena (2008-2015, transferred for use in the company Intel as using of a first PhDdissertation results).
High-performance reference code for the Marker-And-Cell (МАС) method for
modeling the flow of fluids with a free surface (2011-2012, ordered by Intel).
Virtual Reality. Interactive Global illumination (An interactive Virtual Reality system
based on Global Illumination algorithms, fully GPU-oriented, and with record
performance, has been created. 2009-2013. PhD). Today: http://lighttracer.org
Scientific & Biomedical 3D-visualization (remains today the worldwide reference of the
high performance, 2010-2013, PhD). 3D-Cloud Service : http://85.143.3.10:4526.
3D Digital Medicine (since 2009). Artificial Intelligence.
Deep Learning in Medicine and Biology. Our result is among the top ten in the
competition for the application of deep learning methods in medical segmentation BraTS2018 (MICCAI-series): Glioma Segmentation with Cascaded Unet (2018)
https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-030-11726-9_17
Hyperspectral Images (since 2017). A new approach to compressing images with
controlled losses. A record compression ratio of 40-165 times (without the need of
archiving) was obtained with a loss of 2-5 percent.
9/23/2024

8. Обработка изображений Image Processing

Изображение
Захват кадра из видеопотока
Обработка изображений
Image Processing
Выделение области для
распознавания
Контрастирование
области распознавания
Изображение
Замена цвета для усиления
контраста между номером
и подложкой
Открытая библиотека ОИ:
OpenCV
8/23

9. Компьютерное зрение Computer Vision

Изображение
Компьютерное зрение
Computer Vision
Захват движения и анимация
персонажа
9/23
Модель
(Описание)

10. Компьютерная графика Computer Graphics

Модель
(Описание)
Компьютерная графика
Computer Graphics
Изображение
Графический
конвейер
Render:
3dsmax,
Природа,
Интерьер,
Паук
10/23

11. Computer Graphics in Modern Samples

Virtual Reality:
Avatar 3D, IMax format (10000 x 7000 px)
VR-технологии
11/23

12. Computer Graphics in Modern Samples Interactive Global illumination – Virtual Reality

Today: http://lighttracer.org
12/23

13. Стереографика. Stereo-view of cranium: 4 different stereoscopic visualization modes are supported

InVols
13/23

14. Примеры задач. Компьютерное зрение, обработка изображений. Видеонаблюдение. Захват движения

Конкурс
ETISEO
Улица
Конкурс
ETISEO
Метро
14/23

15. Scientific Visualization

Модель
Scientific Visualization
Изображение
From Ron Fetkiw site
15/23

16. Scientific Visualization: Shaded Direct Volume Rendering (sDVR)

16/23

17. Scientific Visualization in medicine (via DVR)

Scientific 3D-visualization remains today as the worldwide reference of the high performance
17/23

18.

3D биомедицина
Персональные кабинеты и виртуальные анатомические столы
как облачный сервис (UNN, 2013)
Действующий макет
http://85.143.3.10:4526
International Analogs
Virtual anatomical
Anatomage Table
(USA, 2011)
SECTRA table
(Sweden, 2012)

19.

3D биомедицина
Проект
«Киберсердце»
Персональные кабинеты и виртуальные анатомические столы как
облачный сервис
https://fznamznon.github.io/threejs-model/
Параметризованная
геометрическая
реконструкция сердца

20.

Реинжиниринг
3D проектирование объектов нефтехимии
и нефтепереработки. AVEVA Plant Design
Management System (PDMS).
Модели объемом более 10 GB.

21. Открытые системы геометрического моделирования, графики, инженерного и научного анализа и визуализации

Открытая система 3D моделирования https://www.blender.org/
Открытая система 2D графики https://inkscape.org/
Система трехмерного моделирования, сеточной декомпозиции и инженерного
анализа SALOME
Открытая система и технология для геометрического проектирования и
инженерного анализа Open CASCADE Technology
https://dev.opencascade.org/
https://ru.wikipedia.org/wiki/Open_CASCADE_Technology
ParaView - Открытая система научно-технической визуализации
https://www.paraview.org/ компании Kitware, Inc. (www.kitware.com, USA-1998)
OpenFOAM (англ. Open Source Field Operation And Manipulation CFD ToolBox) — открытая
интегрируемая платформа для численного моделирования задач механики сплошных сред.
Visualization Toolkit (VTK) is an open-source, freely available software system for 3D
computer graphics, image processing and visualization www.vtk.org
National Library of Medicine Insight Segmentation and Registration Toolkit
(ITK). https://www.itk.org/
CMake – обеспечение сборки сложных систем, которое первоначально разрабатывалось
для сборки ITK
CGAL - The Computational Geometry Algorithms Library (www.cgal.org). Проект по
созданию этой библиотеки стартовал в 1996 как общеевропейский проект (7
участников)
GTEngine – Geometric Tools Engine 3.2, (https://www.geometrictools.com/) posted on
July 6, 2016. GPU & SSE oriented for mathematics, graphics, image analysis, and physics. (Boost
License); Direct3D 11 is used, and an OpenGL 4.x engine is in development.

22. Программа курса (Lectures). Практикум

Первая часть. «Компьютерная графика. Основы 2D»
Практические задачи и навыки:
•интерфейс исследовательского приложения (C#); 2D-графика GDI+
•теория цвета; обработка изображений;
Вторая часть. «3D Конвейер. Шейдеры. Библиотеки»
•координатный метод;
•локальные модели освещения;
•наложение текстур;
•трассировка лучей, реализация для простой сцены (прим.1, прим.2)
•научная визуализация
Пример 1
Практические задачи и навыки:
•OpenGL 4.x, шейдеры на GLSL.
•Или MS DirectX, шейдеры на HLSL.
Рекомендуемые материалы по курсу
https://sites.google.com/site/turlapovveunn/compgraphics_fiit_pmi
http://education.siggraph.org/
Пример 2
22/23

23. Лабораторные работы по курсу (link)

1.
Тема "Знакомство с C# ."Реализовать простейший Image Browser. Поддерживаемый функционал:
a)Открытие изображения; b)Сохранение изображения в файл.
2.
Тема "Цветовые модели". Реализовать приложение, позволяющее конвертировать цвет из одной
цветовой модели в другую. Поддерживаемые модели: a)RGB; b)CMYK; c)HSV; d)XYZ; e)Lab и
др.
3.
Тема " Гистограмма. Бинаризация". Расширить функционал Image Browser. Реализовать фильтры:
4.
1.
реализовать перевод цветного изображения в серое; построение гистограммы для
изображения;
2.
реализовать перевод в черно-белое изображение с порогами разных типов.
Тема "Обработка изображений". Расширить функционал Image Browser. Реализовать следующие
фильтры (по одному из каждой группы):
1.
Коррекция цвета: a)серый мир b)идеальный отражатель; c)растяжение контрастности;
d)коррекция с опорным цветом;
2.
Cтатистическая цветокоррекция (по цветовым пространствам: см.2);
3.
Геометрические преобразования: a)сдвиг по оси х|y на выбранное количество пикселей
(параметры выбираются пользователем); b)поворот изображения на выбранный
пользователем угол; c)горизонтальные волны; d)вертикальные волны; e)случайный сдвиг
(эффект "стекла").
23/23

24. Лабораторные работы по курсу

5.
Тема "Шумоподавление".
1.
Бинарные изображения. Мат. морфология. Реализовать операции: a)Расширение; Сужение;
b)Раскрытие; Открытие; c)опционально: Морфологический градиент; "Цилиндр"; "Эффект
черной шляпы";
2.
Устранение шума на цветных или полутоновых изображениях. Реализовать фильтры:
a)Усреднение; b)Медианный фильтр; c)Фильтр Гаусса; d)*Адаптивный фильтр (по желанию).
6.
Тема "OpenGL". Основные шаги:
1. Реализовать сложноструктурированную 3D сцену с использованием базовых объектов
OpenGL.
2. Текстурировать разработанную сцену.
3. Реализовать динамическую сцену .
7.
Тема "Локальное освещение". Лучевой метод Ray Casting.
8.
1.
Диффузная поверхность;
2.
"Бликовая" поверхность;
Тема "Программирование шейдеров. Глобальное освещение".
1. Разработка простейшей пары шейдеров для визуализации сферы;
2. Процедурное текстурирование с использованием шумов Перлина;
3. Реализация алгоритма ray tracing на GPU/CPU: а)Зеркальная поверхность; б)Стеклянная
поверхность.
24/23

25. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины (модуля)

а) основная литература:
Курс: Турлапов В.Е. «Компьютерная графика ДО» https://e-learning.unn.ru/course/view.php?id=804.
https://drive.google.com/drive/folders/0B0dUwKiJKX94fkZXbUlHOVI3VHdzYlZMNnpVdUo2dlUxUTh4bjlaWk5iNFVwLXVGa0hWSXM
Курс: Денис Боголепов, Вадим Турлапов. Компьютерная графика в инженерном анализе и научной визуализации, ИНТУИТ
(http://www.intuit.ru/studies/courses/587/443/info)
Курс: Александр Куликов, Тамара Овчинникова. Алгоритмические основы современной компьютерной графики, ИНТУИТ
(http://www.intuit.ru/studies/courses/70/70/info)
б) дополнительная литература:
Курс: Андрей Семенов. Программирование графических процессоров с использованием Direct3D и HLSL
(http://www.intuit.ru/studies/courses/1120/175/info)
Курс: Создание графическиx моделей с помощью Open Graphics Library(OpenGL). ИНТУИТ
(http://www.intuit.ru/studies/courses/2313/613/info)
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы
Компьютерная графика. Алгоритмические основы растровой графики (лекция по фильтрации изображений, предполагает
регистрацию на сайте ИНТУИТ).
http://www.intuit.ru/department/graphics/rastrgraph/8
Курс "Введение в компьютерное зрение" 2015 (ВМК МГУ) https://www.youtube.com/playlist?list=PLbwKcm5vdiSZGvD9tL4bxj9zXlGfgWstZ
Библиотека OpenTK https://github.com/opentk/opentk
Спецификации OpenGL и GLSL https://www.opengl.org/
Труды конференций Графикон http://www.graphicon.ru/
Timothy J. Purcell. Ray Tracing on a Stream Processor. 2004 http://graphics.stanford.edu/papers/tpurcell_thesis
Martin Christen. Ray Tracing on GPU. http://www.clockworkcoders.com/oglsl/rt
Fast 3D triangle-box overlap testing. http://www.cs.lth.se/home/Tomas_Akenine_Moller/pubs/tribox.pdf
25/23