4

ТЕМА: Компьютерная графика: область применения, технические средства, принципы кодирования изображения.

Класс: 8 класс

Цели урока:

1. Образовательная:

- Освоить способы представления графической информации в памяти компьютера;

- Иметь представление о технических средствах при работе с графическими объектами;

- Уметь пользоваться аппаратными средствами по обработке графической информации.

2. Развивающая:

- развить познавательные интересы, процессы внимания и памяти;

- сформировать логическое мышление учащихся.

3. Воспитательная:

- воспитание упорства, ответственности и настойчивости учащихся;

- развитие аккуратности, внимательности.

Тип урока: изучение нового материала.

Оборудование и материалы: компьютер, проектор, интерактивная доска.

Подготовительная работа учителя к уроку: на доске записывает сегодняшнее число и тему урока.

Ход урока:

1. Организационный момент (2 мин.);

2. Актуализация и проверка знаний (3 мин.);

3. Теоретическая часть (30 мин.);

4. Домашнее задание (3 мин.);

5. Вопросы учеников (5 минут);

6. Итог урока (2 мин.).

Теоретическая основа урока

Раздел информатики, занимающийся проблемами «рисования» на ЭВМ, называется «компьютерная графика».

Как же получаются все эти «картинки» на экране ЭВМ? Вы уже хорошо знаете, что любую работу компьютер выпол­няет по определенным программам, которые обрабатывают определенную информацию. Дисплей — это устройство вы­вода информации, хранящейся в памяти ЭВМ. Значит, и «картинки» на экране — это отражение информации, на­ходящейся в компьютерной памяти.

Первые компьютеры использовались лишь для решения научных и производственных задач. Обычно результатами таких расчетов являлись длинные колонки чисел, напеча­танных на бумаге. Для того чтобы лучше понять получен­ные результаты, человек брал бумагу, карандаши, линейки и другие чертежные инструменты и чертил графики, диа­граммы, чертежи рассчитанных конструкций. Иначе гово­ря, человек вручную производил графическую обработку ре­зультатов вычислений. В графическом виде такие результаты становятся более наглядными и понятными. Та­ково уж свойство человеческой психики: наглядность — важнейшее условие для понимания.

Довольно быстро возникла идея поручить графическую обработку самой машине. Пер­воначально программисты на­учились получать рисунки в режиме символьной печати. На бумажных листах с помо­щью символов (звездочек, то­чек, крестиков, букв) получа­лись рисунки, напоминающие мозаику. Так печатались гра­фики функций, изображения течений жидкостей и газов, изображения электрических и магнитных полей.

С помощью символьной пе­чати программисты умудря­лись получать даже художест­венные изображения. В редком компьютерном центре стены не украшались распечатками с портретами Эйнштейна, ре­продукциями Джоконды и другой машинной живописью.

Затем появились специальные устройства для графиче­ского вывода на бумагу — графопостроители (другое на­звание — плоттеры). С помощью такого устройства на лист бумаги чернильным пером наносятся графические изображения: графики, диаграммы, технические чертежи и прочее. Для управления работой графопостроителей стали создавать специальное программное обеспечение.

Настоящая революция в компьютерной графике произош­ла с появлением графических дисплеев. На экране графиче­ского дисплея стало возможным получать рисунки, чертежи в таком же виде, как на бумаге с помощью карандашей, кра­сок, чертежных инструментов.

Рисунок из памяти компьютера может быть выведен не только на экран, но и на бумагу с помощью принтера. Существуют принтеры, цветной печати, дающие качество рисунков на уровне фотографии.

Все типы персональных компьютеров оснащены графиче­скими дисплеями. Поэтому компьютерная графика стала особенно популярна с распространением персональных компьютеров начиная с 80-х годов. Благодаря графическим возможностям ПК удалось сделать этот класс машин при­влекательным для широкого круга пользователей. Графиче­ский интерфейс делает общение пользователя с компьюте­ром удобным, легким, увлекательным.

Области применения компьютерной графики

Современное применение компьютерной графики очень разнообразно. Для каждого направления создается специаль­ное программное обеспечение, которое называют графически­ми программами, или графическими пакетами.

Научная графика. Как уже было сказано, это направле­ние появилось самым первым. Назначение — визуализация (т.е. наглядное изображение) объектов научных исследова­ний, графическая обработка результатов расчетов, проведе­ние вычислительных экспериментов с наглядным представ­лением их результатов.

Деловая графика. Эта об­ласть компьютерной графики предназначена для создания иллюстраций, часто используе­мых в работе различных учреждений. Плановые показате­ли, отчетная документация, статистические сводки — вот объекты, для которых с помощью деловой графики создают­ся иллюстративные материа­лы. Чаще всего это графики, круговые и столбчатые диаграммы

Программные средства де­ловой графики обычно вклю­чаются в состав табличных процессоров (электронных таб­лиц), с которыми мы познакомимся немного позже.

Конструкторская графика. Используется в работе инже­неров-конструкторов, изобретателей новой техники. Этот вид компьютерной графики является обязательным элемен­том систем автоматизации проектирования (САПР).

Графика в САПР используется для подготовки технических чертежей проектируемых устройств. Графика в сочетании с рас­четами позволяет проводить в наглядной форме поиск опти­мальной конструкции, наибо­лее удачной компоновки дета­лей, прогнозировать последствия, к которым могут привести изменения в конструкции. Средствами конструк­торской графики можно получать плоские изображения (проекции, сечения) и пространственные, трехмерные, изоб­ражения.

Иллюстративная графика. Программные средства иллю­стративной графики позволяют человеку использовать компьютер для произвольного рисования, черчения подобно тому, как он это делает на бумаге с помощью карандашей, ки­сточек, красок, циркулей, линеек и других инструментов. Пакеты иллюстративной графики не имеют какой-то произ­водственной направленности. Поэтому они относятся к при­кладному программному обеспечению общего назначения.

Простейшие программные средства иллюстративной гра­фики называются графическими редакторами. Подробнее о графических редакторах речь пойдет ниже.

Художественная и рекламная графика. Это сравнитель­но новая отрасль, но уже ставшая популярной во многом благодаря телевидению. С помощью компьютера создаются рекламные ролики, мультфильмы, компьютерные игры, ви­деоуроки, видеопрезентации и многое другое.

Графические пакеты для этих целей требуют больших ресурсов компьютера по быстродействию и памяти. Отли­чительной особенностью этого класса графических пакетов является возможность создания реалистических (очень близких к естественным) изоб­ражений, а также «движущих­ся картинок».

Для создания реалистических изображений в графических пакетах этой категории используется сложный математический аппарат.

Получение рисунков трехмерных (пространственных) объ­ектов, их повороты, приближения, удаления, деформации — все это связано с геометрическими расчетами. Передача осве­щенности объекта в зависимости от положения источников света, от расположения теней, от фактуры поверхности (глян­цевая, матовая, пористая) требует расчетов, учитывающих за­коны оптики.

Получение движущихся изображений на ЭВМ называется компьютерной анимацией. Слово «анимация» обозначает «оживление» (родственное английскому «animal» — живот­ное).

Многие из вас представляют, как художники-мультипли­каторы создают свои фильмы. Чтобы передать движение, им приходится делать тысячи рисунков, отличающихся друг от друга небольшими изменениями. Затем эти рисунки пересни­маются на кинопленку. Система компьютерной анимации бе­рет значительную часть рутинной работы на себя. Например, художник может создать на экране рисунки лишь начально­го и конечного состояний движущегося объекта, а все проме­жуточные состояния рассчитает и изобразит компьютер. Та­кая работа также связана с расчетами, опирающимися на математическое описание данного типа движения. Получен­ные рисунки, выводимые последовательно на экран с опреде­ленной частотой, создают иллюзию движения.

Мультимедиа — одно из ведущих направлений разви­тия современных информационных технологий. Под словом «мультимедиа» понимают воздействие на пользователя по нескольким информационным каналам. Можно еще сказать так: мультимедиа — это интерактивные системы, обеспе­чивающие работу со статическими изображениями, видео­кадрами, анимацией, текстом и звуком. Наибольшее распространение системы мультимедиа по­лучили в области обучения, рекламы, развлечений.

Дисплей. В XIX веке во Франции возникла техника жи­вописи, которую назвали пуантилизмом: рисунок состав­лялся из разноцветных точек, наносимых кистью на холст. Подобный принцип используется и в компьютерах. Только в отличие от картин пуантилистов, на которых точки распола­гаются в хаотическом порядке, точки на экране компьютера выстроены в ровные ряды. Совокупность точечных строк об­разует графическую сетку, или растр.

Одна точка носит название видеопиксель (далее будем употреблять краткое название — пиксель). Слово «пиксель» происходит от английского «picture element» — элемент ри­сунка. Чем гуще сетка пикселей на экране, тем лучше каче­ство изображения. Размер графической сетки обычно пред­ставляется в форме произведения числа точек в горизонтальной строке на число строк: М х N.

На современных дисплеях используются, например, та­кие размеры графической сетки:

640 х 480 1024 х 768 1280 х1024

Существуют дисплеи, основанные на разных физических принципах. В самых распространенных главной частью яв­ляется электронно-лучевая трубка. На экране такого дисплея пиксель образуется люминесцирующим веществом, которое светится под воздействием луча, испускаемого электронной пушкой дисплея. Такой луч пробегает по порядку (сканиру­ет) все строки сетки пикселей. При этом он модулируется: на точки, которые должны светиться, — падает, а на темных точках — прерывается.

Поскольку после прекращения воздействия электронного луча на точку экрана ее свечение быстро затухает, то скани­рование периодически повторяется с высокой частотой (75-85 раз в секунду и более). При такой частоте наше зре­ние не замечает мерцания изображения.

Рис. 4.2. Получение растрового изображения в электронно-лучевой трубке

Дисплеи, работающие описанным способом (построчное сканирование графической сетки), называются растровы­ми. На черно - белом экране пиксель, на который падает элект­ронный луч, светится белым цветом. Неосвещенный пик­сель — черная точка. При изменении интенсивности элект­ронного потока получаются промежуточные серые тона (оттенки).

А как получается цветное изображение? Каждый пиксель на цветном экране — это совокупность трех точек разного цвета: красного, зеленого и синего. Эти точки расположены так близко друг к другу, что нам они кажутся слившимися в одну точку.

Из сочетания красного, зеленого и синего цветов складывается вся красочная палитра на экране.

Электронная пушка цветного дисплея испускает три луча. Каждый луч вызывает свечение точки только одного цвета. Для этого в дисплее используется специальная фоку­сирующая система.

Видеоконтроллер (адаптер) — устройство, управляющее работой дисплея. Видеоконтроллер состоит из двух частей:

видеопамяти и дисплейного процессора.

Видеопамять предназначена для хранения видеоинфор­мации — двоичного кода изображения, выводимого на эк­ран.

В видеопамяти содержится информация о состоянии каждого пикселя экрана.

Видеопамять — это электронное энергозависимое запоми­нающее устройство. На современных компьютерах ее размер составляет несколько мегабайт. В ней могут храниться одно­временно несколько страниц высококачественного графиче­ского изображения.

Дисплейный процессор — вторая составляющая видео­адаптера.

Дисплейный процессор читает содержимое видеопамяти и в соответствии с ним управляет работой дисплея.

Как уже было сказано, в видеопамяти находится двоич­ная информация об изображении, выводимом на экран. Эта информация состоит из двоичных кодов каждого видеопик­селя.

Код пикселя — это информация о цвете пикселя.

Для получения черно-белого изображения (без полутонов) пиксель может принимать только два состояния: светит­ся — не светится (белый — черный). Тогда для его кодиро­вания достаточно одного бита памяти:

1 — белый, О — черный.

Пиксель на цветном дисплее может иметь различную окраску. Поэтому одного бита на пиксель недостаточно.

Для кодирования 4-цветного изображения требуются два бита на пиксель, поскольку два бита могут принимать 4 раз­личных состояния. Может использоваться, например, такой вариант кодировки цветов:

00 — черный, 10 — зеленый, 01 — красный, 11 — коричневый.

На цветном экране все разнообразие красок получается из сочетаний трех базовых цветов: красного, зеленого, сине­го. Из трех цветов можно получить восемь комбинаций:

Коротко о главном

Компьютерная графика — область информатики, занима­ющаяся проблемами получения различных изображений (рисунков, чертежей, мультипликации) на компьютере.

Устройства вывода графических изображений на компью­тере: графопостроитель (плоттер), графический дисплей, принтер.

Для получения графических изображений требуется спе­циальное программное обеспечение — графические пакеты.

Основные области применения компьютерной графики:

научная графика; деловая графика; конструкторская графи­ка; иллюстративная графика; художественная и рекламная графика.

Компьютерная анимация — это получение движущихся изображений на дисплее.

Мультимедиа — это объединенный вывод на компьютере текста, статических изображений, видео, анимации и звука.

Вопросы и задания

1. Что называют компьютерной графикой?

2. Каким способом получали рисунки на ЭВМ до появления аппа­ратных и программных средств компьютерной графики?

3. На какие устройства производится вывод графических изобра­жений?

4. В чем преимущество графического дисплея перед другими устройствами графического вывода?

5. Назовите основные области применения компьютерной графи­ки.

6. Что такое компьютерная анимация?

7. Что такое мультимедиа?