Многие книги по компьютерной графике глубоко исследуют узкоспециализированные области, такие как разработка библиотек подпрограмм для реализации метода обратного хода лучей или скоростных методов изображения трехмерных сцен, которые используются в компьютерных играх, либо низкоуровневое программирование видеоадаптеров. При этом, например, для студентов, только начинающих вникать в эту область, часто недостает информации общеознакомительного плана, позволяющей сориентироваться в стремительно расширяющейся области компьютерной графики. Данный материал призван хотя бы отчасти восполнить указанный пробел.
Существуют фирмы, специализирующиеся на разработке компьютеров для графических приложений, такие как «Silicon Graphics», «Evans&Sotherland». Области приложения компьютерной графики в настоящее время очень широки. В промышленности используется компьютерное моделирование процессов с графическим отображением происходящего на экране. Разработка новых автомобилей проходит на компьютере от стадии первичных эскизов внешнего вида корпуса автомобиля до рассмотрения поведения деталей автомобиля в различных дорожных условиях. В медицине применяются компьютерные томографы, позволяющие заглянуть внутрь тела и поставить правильный диагноз. В архитектуре широко применяются системы автоматизированного проектирования (CAD – Computer Aided Design), которые позволяют разработать полный проект здания, основываясь на методах компьютерной графики. Химики изучают сложные молекулы белков, пользуясь средствами компьютерного отображения данных. В телевидении и кинематографии компьютерная графика стала обыденным явлением. В мире регулярно проводятся выставки, например, такие как SIGGRAPH, картин, нарисованных с помощью компьютера. В математике развитие фракталов было бы невозможно без компьютеров с соответствующими средствами графического отображения данных. Средства мультимедиа привели к появлению новых источников информации, объединяющих в себе статические и видеоизображения, текст и звук. Новейшие операционные системы работают в графическом режиме и изначально реализуют в своих функциях методы компьютерной графики.
Целью написания пособия является знакомство студента с современными принципами построения «открытых» графических систем двух- и трехмерного преобразования изображений.
Задачи: изучить математические и алгоритмические основы компьютерной графики; изучить алгоритмы растровой графики; представление пространственных форм: геометрические преобразования, алгоритмы удаления скрытых линий и поверхностей; определение затененных участков; аппаратные средства компьютерной графики; средства ввода и визуализации изображений: графические дисплеи; архитектура графических систем; овладеть методами создания реалистических трехмерных изображений.
Дисциплина «Компьютерная графика» входит в раздел Б.1. «Дисциплины (модули). Вариативная часть» ФГОС ВО по направлению подготовки 02.03.03 «Математическое обеспечение и администрирование информационных систем». Процесс изучения направлен на формирование следующих компетенций:
ОК-5 – способность применять знания на практике,
ОК-7 – способность учиться,
ОК-13 – базовые знания в различных областях,
ПК-1 – определение общих форм, закономерностей, инструментальных средств для данной дисциплины,
ПК-7 – умение грамотно пользоваться языком предметной области,
ПК-11 – самостоятельное построение алгоритма и его анализ,
ПК-15 – способность передавать результат проведенных физико-математических и прикладных исследований в виде конкретных рекомендаций, выраженных в терминах предметной области изучавшегося явления,
ПК-31 – навыки использования современных системных программных средств: операционных систем, операционных и сетевых оболочек, сервисных программ,
ПК-33 – навыки разработки моделирующих алгоритмов и реализации их на базе языков и пакетов прикладных программ моделирования.
Материал пособия является результатом многолетней методической и преподавательской работы в Алатырском филиале ФГБОУ ВО «ЧГУ им. И.Н. Ульянова».
Учебное пособие состоит из двух разделов. В первом разделе рассматриваются теоретические основы компьютерной графики, история, идеи и методы этого направления науки, его применение в задачах компьютерного моделирования и САПР.
Второй раздел «Лабораторный практикум» включает в себя перечень лабораторных работ по дисциплине.
Авторский коллектив издания составили преподаватели кафедры высшей математики и информационных технологий Алатырского филиала ФГБОУ ВО «ЧГУ им. И.Н. Ульянова», канд. техн. наук, доцент В.Н. Пичугин (главы 1-3), канд. экон. наук, доцент Р.В. Фёдоров (главы 4-6), старший преподаватель М.П. Немкова (тестовые задания), старший преподаватель А.А. Солдатов (лабораторный практикум).
Авторы благодарны своим рецензентам Ю.К. Евдокимову, доктору техн. наук, профессору, заведующему кафедрой радиоэлектроники и информационно-измерительной техники Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева, и В.К. Краснову, кандидату физ.-мат. наук, доценту.
Авторы будут признательны за любые замечания, предложения, пожелания.
Пособие рекомендуется в качестве основного учебного материала по курсу «Компьютерная графика» для высших учебных заведений. Его также можно использовать как самоучитель, с помощью которого за короткое время можно самостоятельно освоить актуальные компьютерные технологии.