Практическое применение компьютерной графики в сфере сервиса

Содержание

 

Введение 5

1 Разделы компьютерной  графики. Материалы и материаловедение  в компьютерной графике 6

1.1 Назначение текстур 6

1.2 Редакторы материалов 7

1.3 Применение текстурирования 8

1.3.1 Цветовое кодирование  свойств 8

1.3.2 Линии уровня на  поверхности 11

1.3.3 Фильтрация информации 13

1.3.4 Высококачественный рендеринг поверхностей 15

1.3.5 Закраска Фонга в  реальном времени 16

1.3.6 Отражение среды 17

1.4 Использование альфа-канала 18

1.5 Методы текстурирования 19

2 Практическое применение  компьютерной графики в сфере  сервиса 21

2.1 Разработка плакатов  в CorelDraw X3 по теме 21

2.2 Построение чертежа  в КОМПАС 3D 22

Библиографический список 35

Приложение 36

 

 

 

Введение

В наш XXI век, век высоких  технологий, понятие компьютерной графики  неразрывно связано с нашей жизнью. Суперблокбастер кинематографа, реклама, выбор прически в парикмахерской – везде мы сталкиваемся с примерами  графической обработки данных.

Сегодня компьютерную графику  используют в большинстве инженерных и научных дисциплинах для  передачи информации, ее наглядного восприятия. Сейчас применять ее в подготовке демонстрационных слайдов является нормой, разработка сайтов по любой  тематике также не обходится без  применения компьютерной графики, в  медицине же широко используют трехмерные изображения - компьютерная томография. Не стоит забывать и о картографии, геофизике, полиграфии, ядерной физике и многих других областях и сферах жизни. Различные отрасли индустрии развлечений и телевидение постоянно пользуются  анимационными средствами компьютерной графики - игры компьютерные и фильмы. В обучении пилотов и профессионалов из других областей распространена практика компьютерного моделирования  и различные тренажеры. Сейчас знание азов компьютерной графики необходимо как инженеру, так и ученому.

В практической части курсовой работы будет представлен комплекс плакатов на тему «Ставропольский технологический  институт сервиса», разработанный в  растровом графическом редакторе CorelDraw X3. Так же будет представлен  чертеж схемы по индивидуальному  заданию, выполненный с помощью  пакета для инженерной графики КОМПАС 3D LT.

 

 

 

 

1 Разделы компьютерной  графики. Материалы и материаловедение  в компьютерной графике

1.1 Назначение текстур

Текстуры являются важным средством создания реалистических изображений. Они позволяют избежать кропотливой работы по прорисовке мелких деталей делающих изображения легко  узнаваемыми. Как бы мы не закрашивали  поверхность параллелепипеда, он не будет выглядеть сделанным из дерева, пока мы не нанесем характерную  для дерева фактуру. Создание изображения  кирпичной стены из отдельных  примитивов, имитирующих кирпичи, является достаточно трудоемким занятием и получившийся результат будет не очень хорошим, из-за излишней правильности. Гораздо проще наложить текстуру, полученную из фотографии реальной стены на единственный прямоугольник. Подобных примеров можно привести очень много. Текстуры используются при изображении элементов поверхности земли – растительности, гор, водоемов, с их помощью создают иллюзии различных материалов – камня, пластмассы, тканей, на основе текстур создаются различные спецэффекты, такие как отражение одних объектов сцены в других и многое другое.

Текстуры можно рассматривать  как прямоугольные массивы данных, хранящие информацию о цвете. Массивы  могут быть одно, двух, трех или четырех  мерными. Данные для текстуры могут  быть взяты из отсканированного или  созданного в графическом редакторе  изображения, а так же сгенерированы  программой.

Области, где применение текстур  необходимо:

- текстуры можно использовать для того, чтобы показать материал, из которого сделан объект. Например, на обычный параллелепипед наносится зернистая картина среза дерева и он становится деревянным брусом;

- на поверхность может быть нанесена картина закрашенных повторяющихся прямоугольников и поверхность превращается в стену, сложенную из кирпичей;

- с помощью текстурирования можно наглядно представить физические свойства объектов в приложениях научной визуализации. Например, данные о температуре кодируются цветом и наносятся на объект, позволяя видеть, как геометрия влияет на протекание процессов теплопереноса.

- текстуры дают возможность моделировать световые эффекты, например отражение, при создании фотореалистичных изображений;

1.2 Редакторы материалов

Графические библиотеки освобождают  разработчика от задачи построения изображения - ему требуется только сгенерировать  трехмерную сцену с участвующими в ней объектами, определить их оптические свойства, расставить источники освещения  и задать их характеристики.

Помимо библиотек, текстуры можно создавать в самых различных  графических редакторах.

Приведем пример систем автоматизированного  проектирования и программ, обладающих способностью редактировать текстуры:

- Autodesk 3ds Max (ранее 3D Studio MAX) — полнофункциональная профессиональная программная система для создания и редактирования трёхмерной графики и анимации, разработанная компанией Autodesk. Содержит самые современные средства для художников и специалистов в области мультимедиа.

- AutoCAD — двух- и трёхмерная система автоматизированного проектирования и черчения, разработанная компанией Autodesk. Первая версия системы была выпущена в 1982 году. AutoCAD и специализированные приложения на его основе нашли широкое применение в машиностроении, строительстве, архитектуре и других отраслях промышленности.

- ArchiCAD — графический программный пакет САПР для архитекторов, созданный фирмой Graphisoft. Предназначен для проектирования архитектурно-строительных конструкций и решений, а также элементов ландшафта, мебели и т. п.

- Mineframe — САПР для автоматизированного планирования, проектирования и сопровождения горных работ.

- Растровые графические редакторы - специализированные программы, предназначенные для создания и обработки растровых изображений. Подобные программные продукты нашли широкое применение в работе художников-иллюстраторов, при подготовке изображений к печати типографским способом или на фотобумаге, публикации в интернете. (Adobe Photoshop; Corel Painter; Paint.NET; GIMP и др.)

- Векторные графические редакторы позволяют пользователю создавать и редактировать векторные изображения непосредственно на экране компьютера, а также сохранять их в различных векторных форматах. (CorelRraw; Adobe Flash; Adobe Illustrator; Xara Xtreme и др.)

1.3 Применение текстурирования

1.3.1 Цветовое кодирование  свойств

Машинная графика почти  всегда имеет дело с многомерным  миром. Проектирование изделия отнюдь не заканчивается построением его  объемной модели. Дальше требуется  провести технологические расчеты, определяя нагрузки, обтекаемость, распределение электрического потенциала. Таким образом, как правило, моделирование  объектов и явлений сопряжено  с задачей исследования связанных  с моделью числовых данных, которые  определяют одно или несколько свойств  модели. Наличие нескольких свойств превращает 3D мир модели в мир большей размерности. Далее рассмотрим, каким образом можно наглядно изобразить числовые свойства с привязкой к порождающему их 3D объекту. Более формально эта задача называется визуализацией данных - числовых векторов, заданных на некотором подмножестве точек 3D пространства. Каждая компонента вектора (или канал) соответствует значению определенного свойства.

Традиционно для изображения  одного свойства - в случае скалярных  данных, состоящих из одного компонента, используется цветовое кодирование. Задается отображение области определения  свойства - всех его возможных значений, на имеющуюся цветовую палитру. При  моделировании такое отображение  может быть задано интерактивно. Каждая точка изображаемого геометрического  объекта закрашивается таким  цветом, который соответствует значению свойства в этой точке. Таким приемом  можно, например, изобразить распределение  нагрузок на механической детали или  потенциал взаимодействия на поверхности  молекулы.

В использовании цветового  кодирования есть проблема, которая  является следствием некоторых особенностей применяющихся на практике методов  закраски поверхностей. Как объяснялось  ранее, при закраске полигональных  поверхностей цвета задаются в вершинах сетки, на которую натягивается поверхность. В точках поверхности, не являющихся вершинами, цвет вычисляется в результате интерполяции. В современных графических  архитектурах используется два базовых  способа интерполяции закраски.

Плоская закраска - простейший и вычислительно наиболее дешевый  способ: для закраски внутренности каждого полигона применяется один цветовой тон, заданный в определенном узле полигона. Результат визуализации получается не слишком хороший - будут  видны ребра между соседними  полигонами. Возможность быстро получить приемлемый результат - это, пожалуй, главное  достоинство этой модели.

Закраска Гуро сглаживает тоновый переход между ребрами  полигонов, вычисляя путем линейной интерполяции цвет для каждого пикселя  полигона. Сглаженная поверхность более  естественно моделирует отражение  света и делает визуализацию реалистичней. Модель закраски Гуро применяется, в  качестве стандартного метода в OpenGL.

При изображении значений с помощью цветового кодирования  гладкость переходов может оказаться  вредной. Если имеются две смежные  области с существенно разными значениями свойства, которые при цветовом кодировании закрашиваются разными цветами, применение метода Гуро сгладит переход между ними и не даст возможности показать резкие перепады. Для борьбы с этим неприятным свойством приходится увеличивать степень подробности сетки, однако это приводит к резкому возрастанию вычислительных затрат и не годится для интерактивных приложений. Обидно, что подробность сетки приходится увеличивать не для хорошего представления самой поверхности, которая может реалистично изображаться уже при небольшой сетке, а для обеспечения адекватности закраски.

Покажем, как эта проблема может быть решена с помощью текстуры. Палитра цветов, используемая для  изображения значений свойств, реализуется  в виде изображения 1D текстуры. При  генерации вершин сетки, аппроксимирующей поверхность, скалярные значения отображаемого  свойства используются, как текстурные координаты. В отличие от прямого  цветового кодирования, в данном способе интерполяция производится в пространстве текстуры и цвет каждого пикселя вычисляется по полученным текстурным координатам. В результате для редкой сетки можно обеспечить резкие изменения цветового кода в узкой области поверхности и получить высококонтрастное изображение. С помощью наложения текстуры резкие переходы от одного цветового значения к другому существенно улучшают точность рендеринга. Кроме того, эти резкие переходы помогают визуально воспринимать форму объекта в объеме.

Разница между двумя подходами  показана на двух конкретных примерах (рисунок 1) - доступная для растворителя поверхность молекулы этанола несет  на себе электростатический потенциал, изображенный с использованием цветовой интерполяции (слева) и текстурирования (справа).

 

 

Рисунок 1 - Цветовое кодирование. Справа цветовая интерполяция, слева - текстурная.

 

Дополнительные преимущества связаны с независимостью объектных  и текстурных координат и заключаются  в возможности внесения быстрых  изменений в отображение текстуры - цветовой код. Используя матрицу  текстуры и применяя преобразование сдвига в ее пространстве, можно  менять точку отсчета цветового  кода. Преобразование масштабирования  пространства текстуры позволяет изменять диапазон отображения. Эти преобразования могут быть выполнены в реальном времени.

1.3.2 Линии уровня на  поверхности

Второй традиционный способ отображения значений данных - нанесение  на поверхность геометрического  объекта дискретного набора линий  уровня. Линия уровня соединяет точки, в которых изображаемое свойство имеет одинаковое значение. Этот способ хорошо показывает геометрию объекта, его свойства и широко используется в приложениях визуального анализа. В топографических картах линии  уровня дают представление о высоте точек над некоторой плоскостью, обычно над уровнем моря. В других случаях уровень отсчета может  быть привязан не абсолютно, а к самому объекту и может двигаться  вместе с ним. Линии уровня могут  изображать и свойства, такие как  потенциал взаимодействия или распределение  нагрузки.

Нанесение линий уровня непосредственно  путем задания цветов узлов сталкивается с той же проблемой резких цветовых переходов, что и цветовое кодирование. Решение, которое дает текстура, пригодно и в данном случае. Задается 1D текстура, заполненная базовым цветом, который  выбран для изображения поверхности. В тех позициях изображения текстуры, которые соответствуют значению линии уровня, текселям присваивается цвет, выбранный для изолиний с данным порогом. На рисунке 2 показано применение текстуры для изображения гидрофобного потенциала молекулы Грамицидин А, в виде набора изолиний на ее поверхности.

 

 

Рисунок 2 - Изолинии на поверхности  молекулы. Варианты справа и слева  различаются разным шагом порогов.

 

Для управления порогами изолиний применяется масштабирование пространства текстуры. Путем преобразования сдвига текстурного пространства осуществляется сдвиг всех пороговых значений. Ни геометрия объекта, ни сама текстура при этом не меняются, подбор порогов  выполняется в реальном времени, интерактивно.

1.3.3 Фильтрация информации

Метод цветового кодирования  свойств поверхности с помощью  одномерной текстуры может быть легко  обобщен на 2D или 3D. Такое обобщение  позволяет одновременно показывать два или даже три свойства. Для  этого каждому текселю многомерной текстуры требуется сопоставить свой цвет, который будет отображать каждую комбинацию значений свойств. В этом случае, интерпретация цветовой палитры в смысле определения по цвету значений свойств может быть весьма нетривиальной или даже невозможной. Поверхность будет информационно перегружена.

Одно из возможных и  достаточно общих решений состоит  в создании двумерной текстуры, в  которой комбинируется 1D цветовой код  и 1D карта порогов изолиний. А  именно, текстура представляется 2D массивом изображения, который состоит из двух строк. Первая строка содержит цветовой код и соответствующие координаты используются для одного свойства, а вторая строка кодирует карту изолиний и используется для изображения второго свойства. В этом случае становится возможным изобразить одновременно два свойства на той же поверхности, обеспечивая возможность их четкого различения.