Предисловие

Курс «Компьютерная геометрия и графика» рассматривает вопросы, связанные с представлением и синтезом изображений и трехмерных сцен с использованием компьютера. В теоретической части даны общие характеристики видеоинформации, описаны способы сжатия и хранения изображений в различных форматах. Представлены основные концепции геометрического моделирования трехмерных объектов. Достаточно подробно изложены вопросы формирования сложных форм на основе криволинейных поверхностей. Большое внимание уделено растровым алгоритмам, алгоритмам геометрической обработки, а также алгоритмам удаления невидимых линий и поверхностей. Рассматриваются вопросы синтеза реалистичных изображений с использованием освещения. Приведен обзор современных интерфейсов прикладного программирования трехмерной графики таких, как OpenGL и Direct3D. Рассматривается архитектура графических систем, видеосистема персонального компьютера.

Практическая часть курса содержит методические указания к четырем лабораторным работам. Учебное пособие предназначено для студентов и преподавателей высших учебных заведений специальности «Информационные системы и технологии», а также студентов смежных специальностей.

1. Компьютерная графика, геометрическое моделирование и решаемые ими задачи

1. Основные понятия и определения

Определение 1.1. Компьютерная графика (КГ) — это область информатики, в сферу интересов которой входят все аспекты формирования изображений с помощью компьютеров[4, 24]. Эта область начала развиваться около 50 лет назад.

Самая важная функция компьютера – обработка информации. Особо можно выделить обработку информации, связанную с изображениями. Она разделяется на три основные направления: визуализация, обработка и распознавание изображений.

Определение 1.2. Визуализация – создание изображения на основе описания (модели) некоторого объекта.

Существует большое количество методов и алгоритмов визуализации, которые различаются между собой в зависимости от того, что и как должно быть отображено: график функции, диаграмма, схема, карта или имитация трехмерной реальности – изображения сцен в компьютерных развлечениях, художественных фильмах, тренажерах, в системах архитектурного проектирования. Важными и связанными между собой факторами здесь являются: скорость изменения кадров, насыщенность сцены объектами, качество изображения, учет особенностей графического устройства.

Определение 1.3. Обработка изображений – это преобразование изображений.

Примерами обработки изображений могут служить повышение контраста, четкости, коррекция цветов, сглаживание, уменьшение шумов и т.д. В качестве материала обработки могут быть космические снимки, отсканированные изображения, радиолокационные, инфракрасные изображения и т.п. Задачей обработки изображений может быть как улучшение в зависимости от определенного критерия (реставрация, восстановление), так и специальное преобразование, кардинально изменяющее изображение. В последнем случае обработка изображений может быть промежуточным этапом для дальнейшего распознавания изображения. Например, перед распознаванием часто необходимо выделять контуры, создавать бинарное изображение, разделять исходное изображение по цветам. Методы обработки изображения могут существенно различаться в зависимости от того, каким путем оно получено: синтезировано системой, получено в результате оцифровки черно-белой или цветной фотографии.

Определение 1.4. Распознавание изображений – получение описания изображенных объектов. Методы и алгоритмы распознавания разрабатывались, прежде всего, для обеспечения зрения роботов и для систем специального назначения. Но в последнее время компьютерные системы распознавания изображений все чаще появляются в повседневной практике, например, офисные системы распознавания текстов или программы векторизации.