Компьютерная графика что такое? Виды компьютерной графики. Шейдерный язык Gelato. Высшего профессионального образования

В век информационных технологий компьютерная графика получила широкое распространение во всем мире. Почему она так популярна? Где она применяется? И вообще, что такое компьютерная графика? Давайте разберемся!

Компьютерная графика: что такое?

Проще всего - это наука. Кроме того, это один из разделов информатики. Он изучает способы обработки и форматирования графического изображения с помощью компьютера.

Уроки компьютерной графики на сегодняшний день существуют и в школах, и в высших учебных заведениях. И трудно сегодня найти область, где она не была бы востребована.

Также на вопрос: «Что такое компьютерная графика?» - можно ответить, что это одно из многих направлений информатики и, кроме того, относится к наиболее молодым: оно существует около сорока лет. Как и всякая иная наука, она имеет свой определенный предмет, цели, методы и задачи.

Какие задачи решает компьютерная графика?

Если рассматривать этот раздел информатики в широком смысле, то можно увидеть, что средства компьютерной графики позволяют решать следующие три типа задач:

1) Перевод словесного описания в графическое изображение.

2) Задача распознавания образов, то есть перевод картинки в описание.

3) Редактирование графических изображений.

Направления компьютерной графики

Несмотря на то что сфера применения этой области информатики, бесспорно, крайне широка, можно выделить основные направления компьютерной графики, где она стала важнейшим средством решения возникающих задач.

Во-первых, иллюстративное направление. Оно является самым широким из всех, так как охватывает задачи начиная от простой визуализации данных и заканчивая созданием анимационных фильмов.

Во-вторых, саморазвивающееся направление: компьютерная графика, темы и возможности которой поистине безграничны, позволяет расширять и совершенствовать свои навыки.

В-третьих, исследовательское направление. Оно включает в себя изображение абстрактных понятий. То есть применение компьютерной графики направлено на создание изображения того, что не имеет физического аналога. Зачем? Как правило, с целью показать модель для наглядности либо проследить изменение параметров и скорректировать их.

Какие существуют виды компьютерной графики?

Еще раз: что такое компьютерная графика? Это изучающий способы и средства обработки и создания графического изображения с помощью техники. Различают четыре вида компьютерной графики, несмотря на то, что для обработки картинки с помощью компьютера существует огромное количество различных программ. Это растровая, векторная, фрактальная и 3-D графика.

Каковы их отличительные черты? В первую очередь виды компьютерной графики различаются по принципам формирования иллюстрации при отображении на бумаге или на экране монитора.

Растровая графика

Базовым элементом растрового изображения или иллюстрации является точка. При условии, что картинка находится на экране, точка называется пикселем. Каждый из пикселей изображения обладает своими параметрами: цветом и расположением на холсте. Разумеется, что чем меньше размеры пикселей и больше их количество, тем лучше выглядит картинка.

Основная проблема растрового изображения - это большие объемы данных.

Второй недостаток растровой графики - необходимость увеличить картинку для того, чтобы рассмотреть детали.

Кроме того, при сильном увеличении происходит пикселизация изображения, то есть разделение его на пиксели, что в значительной степени искажает иллюстрацию.

Векторная графика

Элементарной составляющей векторной графики является линия. Естественно, что в растровой графике тоже присутствуют линии, однако они рассматриваются как совокупность точек. А в векторной графике все, что нарисовано, является совокупностью линий.

Этот тип компьютерной графики идеален для того, чтобы хранить высокоточные изображения, такие как, например, чертежи и схемы.

Информация в файле хранится не как графическое изображение, а в виде координат точек, с помощью которых программа воссоздает рисунок.

Соответственно, для каждой из точек линии резервируется одна из ячеек памяти. Необходимо заметить, что в векторной графике объем памяти, занимаемый одним объектом, остается неизменным, а также не зависит от его размера и длины. Почему так происходит? Потому что линия в векторной графике задается в виде нескольких параметров, или, проще говоря, формулой. Что бы мы ни делали с ней в дальнейшем, в ячейке памяти будут изменяться лишь параметры объекта. Количество ячеек памяти останется прежним.

Таким образом, можно прийти к выводу, что векторные файлы, по сравнению с растровыми, занимают гораздо меньший объем памяти.

Трехмерная графика

3D-графика, или трехмерная графика, изучает методы и приемы создания объемных моделей объектов, максимально соответствующие реальным. Подобные изображения можно рассмотреть со всех сторон.

Гладкие поверхности и разнообразные графические фигуры используются с целью создания объемных иллюстраций. С их помощью художник создает сначала каркас будущего объекта, а потом поверхность покрывают такими материалами, которые визуально похожи на реальные. Далее делают гравитацию, осветление, свойства атмосферы и прочие параметры пространства, в котором находится изображаемый объект. Затем, при условии, что объект движется, задают траекторию движения и его скорость.

Фрактальная графика

Фракталом называется рисунок, состоящий из одинаковых элементов. Большое количество изображений являются фракталами. К примеру, снежинка Коха, множество Мандельброта, треугольник Серпинского, а также «дракон» Хартера-Хейтчея.

Фрактальный рисунок можно построить либо с помощью какого-либо алгоритма, либо путем автоматического создания изображения, которое осуществляется путем вычислений по заданным формулам.

Модификация изображения происходит при внесении изменений в структуру алгоритма или смене коэффициентов в формуле.

Главным преимуществом фрактальной графики является то, что в сохраняются только формулы и алгоритмы.

компьютерной графики

Однако необходимо заметить, что выделение данных направлений весьма условно. Кроме того, оно может быть детализировано и расширено.

Итак, перечислим основные области компьютерной графики:

1) моделирование;

2) проектирование;

3) отображение визуальной информации;

4) создание пользовательского интерфейса.

Где применяется компьютерная графика?

В инженерном программировании широко используется трехмерная компьютерная графика. Информатика в первую очередь пришла на помощь инженерам и математикам. Средствами трехмерной графики происходит моделирование физических объектов и процессов, например, в мультипликации, компьютерных играх и кинематографе.

Широко применяется при разработке полиграфических и мультимедийных изданий. Очень редко иллюстрации, которые выполняются средствами растровой графики, создаются с помощью компьютерных программ вручную. Зачастую с этой целью пользуются отсканированные изображения, которые художник изготовил на фотографии или бумаге.

В современном мире широко применяются цифровые фото- и видеокамеры с целью ввода растровых фотографий в компьютер. Соответственно, подавляющее большинство которые предназначены для работы с растровой графикой, ориентированы не на создание изображений, а на редактирование и обработку.

Растровые изображения применяются в интернете в том случае, если есть необходимость передать всю цветовую гамму.

А вот программы для работы с векторной графикой, наоборот, чаще всего используются с целью создания иллюстраций, ежели для обработки. Подобные средства нередко используют в издательствах, редакциях, дизайнерских бюро и рекламных агентствах.

Средствами векторной графики гораздо проще решаются вопросы оформительских работ, которые основаны на применении простейших элементов и шрифтов.

Бесспорно, существуют примеры векторных высокохудожественных произведений, однако они являются скорее исключением, чем правилом, по той простой причине, что подготовка иллюстраций средствами векторной графики необычайно сложна.

Для автоматического с помощью математических расчетов созданы программные средства, работающие с факториальной графикой. Именно в программировании, а не в оформлении или рисовании состоит создание факториальной композиции. Факториальная графика редко применяется с целью создания электронного или печатного документа, однако ее нередко используют в развлекательных целях.

Воспроизводящее визуальные свойства каких-либо поверхностей или объектов. В отличие от рисунка, к текстуре не применяются нормы и требования композиции , поскольку текстура сама по себе художественным произведением не является, хотя и может иногда выступать доминантой в художественном произведении.

Текстуру, окрестности всех точек которой визуально подобны друг другу, называют равномерной текстурой (гомогенной текстурой).

Компьютерная графика

В компьютерной графике текстурами часто называют растровые цифровые изображения, содержащие текстурные элементы.

Текстуру часто ошибочно называют фоном. Понятие фона относится к перспективному месту на изображении, заднему плану. Текстура же в этом смысле - это изображение, визуально отображающее совокупность свойств поверхности какого-либо объекта - реального или вымышленного.

Понятия «текстура» и «фактура» применительно к свойствам какой-либо поверхности используются синонимично. Иногда словом "фактура" называют совокупность тактильных свойств, а текстурой - совокупность свойств визуальных. Однако за цифровым графическим изображением таких свойств закрепилось слово «текстура».

Параметры

Размер

Для цифрового художника предпочтительнее использовать текстуры большого размера, даже если результат его работы по размеру меньше, чем сами текстуры. Это связано с эффектом антиалиасинга , возникающем, если пытаться увеличивать текстурное изображение в графическом редакторе. При увеличении с антиалиасингом образуется размытость изображения - результат работы программных алгоритмов вычисления и усреднения цвета - что может существенно снизить качество текстуры на создаваемом изображении. В противоположность этому, при уменьшении большого изображения такие эффекты незаметны. Поэтому текстуры большого размера (англ. high resolution ) более ценны как инструмент художника. Размер текстур, точно так же, как и размеры обычных растровых изображений, измеряют в пикселях .

Тип

Общепринятой классификации текстур по типам не существует, однако все же возможно выделить некоторые типы:

По эффектам при замощении : обычные (или шовные) и бесшовные текстуры (англ. Seamless patterns ). Бесшовные текстуры при сочленении не образуют видимого шва, т.е. нарушения текстурного рисунка, поэтому ими можно безболезненно замостить холст сколь угодно большого размера. Бесшовные текстуры часто называют паттернами, что является калькой с англ. pattern - узор. К примеру, в растровом графическом редакторе Adobe Photoshop во многих последних версиях имеются предустановленные бесшовные текстуры для замощения холста.

По типу изображаемой текстуры (список неполон):
- текстуры природных объектов (древесная кора, листья, небо и т.д.);
- текстуры поверхностей из различных материалов (деревянные, металлические, глиняные, каменные, бумажные поверхности и т.д.);
- текстуры шума , ветра, царапин, выщербленности, иных повреждений;
- абстрактные текстуры, на которых не изображены объекты, но имеется более-менее однородный фон

Способы получения

К способам получения текстур относятся:

фотографирование объекта, содержащего текстуру, на цифровую фотокамеру, с опциональной пост-обработкой в графическом редакторе;
сканирование объекта, содержащего текстуру. Недостаток этого способа в том, что, при превалирующей распространенности сканеров планшетного типа, объемные элементы (к примеру, габаритный деревянный щит) отсканировать трудно или вовсе невозможно;
отрисовка текстуры «с нуля» в графическом редакторе. Таким образом создаются, как правило, абстрактные текстуры, которым нет аналога в окружающем мире.

Игра была создана на машине PDP-1 .

Существенный прогресс компьютерная графика испытала с появлением возможности запоминать изображения и выводить их на компьютерном дисплее, электронно-лучевой трубке .

Текущее состояние

Основные области применения

Разработки в области компьютерной графики сначала двигались лишь академическим интересом и шли в научных учреждениях. Постепенно компьютерная графика прочно вошла в повседневную жизнь, стало возможным вести коммерчески успешные проекты в этой области. К основным сферам применения технологий компьютерной графики относятся:

Спецэффекты , Визуальные эффекты (VFX), цифровая кинематография ;
Цифровое телевидение , Всемирная паутина , видеоконференции ;
Цифровая фотография и существенно возросшие возможности по обработке фотографий;
Визуализация научных и деловых данных;
Компьютерные игры , системы виртуальной реальности (например, тренажёры управления самолётом);
Компьютерная графика для кино и телевидения

Научная работа

Компьютерная графика является также одной из областей научной деятельности. В области компьютерной графики защищаются диссертации, а также проводятся различные конференции:

конференция Siggraph , проводится в США
конференция Графикон , проводится в России
CG-событие , проводится в России
CG Wave , проводится в России

На факультете ВМиК МГУ существует лаборатория компьютерной графики .

Техническая сторона

По способам задания изображений графику можно разделить на категории:

Двухмерная графика

Вместе с тем, не всякое изображение можно представить как набор из примитивов. Такой способ представления хорош для схем, используется для масштабируемых шрифтов, деловой графики, очень широко используется для создания мультфильмов и просто роликов разного содержания.

Растровая графика

Пример растрового рисунка

Растровая графика всегда оперирует двумерным массивом (матрицей) пикселей. Каждому пикселю сопоставляется значение - яркости, цвета, прозрачности - или комбинация этих значений. Растровый образ имеет некоторое число строк и столбцов.

Без особых потерь растровые изображения можно только лишь уменьшать, хотя некоторые детали изображения тогда исчезнут навсегда, что иначе в векторном представлении. Увеличение же растровых изображений оборачивается «красивым» видом на увеличенные квадраты того или иного цвета, которые раньше были пикселями.

В растровом виде представимо любое изображение, однако этот способ хранения имеет свои недостатки: больший объём памяти, необходимый для работы с изображениями, потери при редактировании.

Фрактальная графика

Фрактальное дерево

Фрактал - объект, отдельные элементы которого наследуют свойства родительских структур. Поскольку более детальное описание элементов меньшего масштаба происходит по простому алгоритму, описать такой объект можно всего лишь несколькими математическими уравнениями.

Фракталы позволяют описывать целые классы изображений, для детального описания которых требуется относительно мало памяти. С другой стороны, фракталы слабо применимы к изображениям вне этих классов.

Трёхмерная графика

Трёхмерная графика (3D - от англ. three dimensions - «три измерения») оперирует с объектами в трёхмерном пространстве. Обычно результаты представляют собой плоскую картинку, проекцию . Трёхмерная компьютерная графика широко используется в кино, компьютерных играх.

В трёхмерной компьютерной графике все объекты обычно представляются как набор поверхностей или частиц. Минимальную поверхность называют полигоном. В качестве полигона обычно выбирают треугольники.

Всеми визуальными преобразованиями в 3D-графике управляют матрицы (см. также: аффинное преобразование в линейной алгебре). В компьютерной графике используется три вида матриц:

матрица сдвига
матрица масштабирования

Любой полигон можно представить в виде набора из координат его вершин. Так, у треугольника будет 3 вершины. Координаты каждой вершины представляют собой вектор (x, y, z). Умножив вектор на соответствующую матрицу, мы получим новый вектор. Сделав такое преобразование со всеми вершинами полигона, получим новый полигон, а преобразовав все полигоны, получим новый объект, повёрнутый/сдвинутый/масштабированный относительно исходного.

Ежегодно проходят конкурсы трехмерной графики, такие как Magick next-gen или Dominance War.

CGI графика

Основная статья: CGI (кино)

Представление цветов в компьютере

Для передачи и хранения цвета в компьютерной графике используются различные формы его представления. В общем случае цвет представляет собой набор чисел, координат в некоторой цветовой системе.

Стандартные способы хранения и обработки цвета в компьютере обусловлены свойствами человеческого зрения. Наиболее распространены системы RGB для дисплеев и CMYK для работы в типографском деле.

Иногда используется система с большим, чем три, числом компонент. Кодируется спектр отражения или испускания источника, что позволяет более точно описать физические свойства цвета. Такие схемы используются в фотореалистичном трёхмерном рендеринге.

Реальная сторона графики

Любое изображение на мониторе, в силу его плоскости, становится растровым, так как монитор это матрица, он состоит из столбцов и строк. Трёхмерная графика существует лишь в нашем воображении, так как то, что мы видим на мониторе - это проекция трёхмерной фигуры, а уже создаём пространство мы сами. Таким образом, визуализация графики бывает только растровая и векторная, а способ визуализации это только растр (набор пикселей), а от количества этих пикселей зависит способ задания изображения.

См. также

Графический интерфейс пользователя
Фрактальная монотипия

Ссылки

Селиверстов М. «3D кино - новое или хорошо забытое старое?»
3D Компьютерная графика в каталоге ссылок Open Directory Project (dmoz).

Примечания

Литература

Никулин Е. А. Компьютерная геометрия и алгоритмы машинной графики. - СПб: БХВ-Петербург, 2003. - 560 с. - 3000 экз. - ISBN 5-94157-264-6
Компьютер рисует фантастические миры (ч.2) // Компьютер обретает разум = Artificial Intelligence Computer Images / под ред. В.Л. Стефанюка. - М .: Мир , 1990. - 240 с. - 100 000 экз. - ISBN 5-03-001277-X (рус.); 7054 0915 5 (англ.)
Дональд Херн, М. Паулин Бейкер. Компьютерная графика и стандарт OpenGL = Computer Graphics with OpenGL. - 3-е изд. - М .: «Вильямс», 2005. - С. 1168. - ISBN 5-8459-0772-1
Эдвард Энджел. Интерактивная компьютерная графика. Вводный курс на базе OpenGL = Interactive Computer Graphics. A Top-Down Approach with Open GL. - 2-е изд. - М .: «Вильямс», 2001. - С. 592. - ISBN 5-8459-0209-6
Сергеев Александр Петрович, Кущенко Сергей Владимирович. Основы компьютерной графики. Adobe Photoshop и CorelDRAW - два в одном. Самоучитель. - М .: «Диалектика», 2006. - С. 544. -

Пациент надевает шлем, садится в кресло с вибрирующими элементами и видит себя сидящим в салоне самолёта у иллюминатора, выглянув в который может лицезреть удаляющуюся взлётную полосу. Рейс сопровождается натуральными звуками, среди которых есть и тревожные, вроде остановки двигателей - эти эффекты необходимо использовать, но с большой осторожностью.

Одна из широко распространенных областей применения виртуальной реальности - игровая индустрия

Чтобы обуздать сопротивление виртуального мира, проще всего выпустить его "наружу", в предметную реальность. И тогда можно будет свободно, без интерфейсных оговорок, передвигаться по кибернетическому пространству. Такая система представляет собой миллиар-ды искусственных разумов, объединённых в единую ней-рокибернетическую сеть, рядом с которой Интернет покажется детской игрушкой.

Компьютерный дизайн. Тема № 9

Компьютерное моделирование является одним из эффективных методов изучения физических систем. Часто компьютерные модели проще и удобнее исследовать, они позволяют проводить вычислительные эксперименты, реальная постановка которых затруднена или может дать непредсказуемый результат. Логичность и формализованность компьютерных моделей позволяет выявить основные факторы, определяющие свойства изучаемых объектов, исследовать отклик физической системы на изменения ее параметров и начальных условий.

К омпьютерное моделирование требует абстрагирования от конкретной природы явлений, построения сначала качественной, а затем и количественной модели.

К основным этапам компьютерного моделирования относятся: постановка задачи, определение объекта моделирования; разработка концептуальной модели, выявление основных элементов системы и элементарных актов взаимодействия; формализация, то есть переход к математической модели; создание алгоритма и написание программы; планирование и проведение компьютерных экспериментов; анализ и интерпретация результатов.

Р азличают аналитическое и имитационное моделирование. Аналитическими называются модели реального объекта, использующие алгебраические, дифференциальные и другие уравнения, а также предусматривающие осуществление однозначной вычислительной процедуры, приводящей к их точному решению. Имитационными называются математические модели, воспроизводящие алгоритм функционирования исследуемой системы путем последовательного выполнения большого количества элементарных операций.

Двухмерная графика

Двухмерная (2D - «два измерения») компьютерная графика классифицируется по типу представления графической информации, и следующими из него алгоритмами обработки изображений. Обычно компьютерную графику разделяют на векторную и растровую, хотя обособляют ещё и фрактальный тип представления изображений.

Векторная графика

Векторная графика представляет изображение как набор геометрических примитивов. Обычно в качестве них выбираются точки, прямые, окружности, прямоугольники, а также как общий случай, кривые некоторого порядка. Объектам присваиваются некоторые атрибуты, например, толщина линий, цвет заполнения. Рисунок хранится как набор координат, векторов и других чисел, характеризующих набор примитивов. При воспроизведении перекрывающихся объектов имеет значение их порядок.

Изображение в векторном формате даёт простор для редактирования. Изображение может без потерь масштабироваться, поворачиваться, деформироваться, также имитация трёхмерности в векторной графике проще, чем в растровой.

Растровая графика

Растровая графика всегда оперирует двумерным массивом (матрицей) пикселей. Каждому пикселю сопоставляется значение - яркости, цвета, прозрачности - или комбинация этих значений. Растровый образ имеет некоторое число строк и столбцов.

Фрактальная графика

Фрактал - объект, отдельные элементы которого наследуют свойства родительских структур. Поскольку более детальное описание элементов меньшего масштаба происходит по простому алгоритму, описать такой объект можно всего лишь несколькими математическими уравнениями.

Трёхмерная графика - раздел компьютерной графики, совокупность приемов и инструментов (как программных, так и аппаратных), предназначенных для изображения объёмных объектов.

Трёхмерное изображение на плоскости отличается от двумерного тем, что включает построение геометрической проекции трёхмерной модели сцены на плоскость (например, экран компьютера) с помощью специализированных программ (однако, с созданием и внедрением 3D-дисплеев и 3D-принтеров, трёхмерная графика не обязательно включает в себя проецирование на плоскость). При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала).

Трёхмерная графика активно применяется для создания изображений на плоскости экрана или листа печатной продукции в науке и промышленности, например в системах автоматизации проектных работ (САПР; для создания твердотельных элементов: зданий, деталей машин, механизмов), архитектурной визуализации (сюда относится и так называемая «виртуальная археология»), в современных системах медицинской визуализации.

Самое широкое применение - во многих современных компьютерных играх.

Также как элемент кинематографа, телевидения, печатной продукции.

Трёхмерная графика обычно имеет дело с виртуальным, воображаемым трёхмерным пространством, которое отображается на плоской, двухмерной поверхности дисплея или листа бумаги. В настоящее время известно несколько способов отображения трехмерной информации в объемном виде, хотя большинство из них представляет объёмные характеристики весьма условно, поскольку работают со стереоизображением. Из этой области можно отметить стереоочки, виртуальные шлемы, 3D-дисплеи, способные демонстрировать трехмерное изображение. Несколько производителей продемонстрировали готовые к серийному производству трёхмерные дисплеи. Однако и 3D-дисплеи по-прежнему не позволяют создавать полноценной физической, осязаемой копии математической модели, создаваемой методами трехмерной графики. Развивающиеся с 1990-х годов технологии быстрого прототипирования ликвидируют этот пробел. Следует заметить, что в технологиях быстрого прототипирования используется представление математической модели объекта в виде твердого тела (воксельная модель).

Для получения трёхмерного изображения на плоскости требуются следующие шаги:

Моделирование - создание трёхмерной математической модели сцены и объектов в ней;

Текстурирование - назначение поверхностям моделей растровых или процедурных текстур (подразумевает также настройку свойств материалов - прозрачность, отражения, шероховатость и пр.);

Освещение - установка и настройка источников света;

Анимация (в некоторых случаях) - придание движения объектам;

Динамическая симуляция (в некоторых случаях) - автоматический расчёт взаимодействия частиц, твёрдых/мягких тел и пр. с моделируемыми силами гравитации, ветра, выталкивания и др., а также друг с другом;

Рендеринг (визуализация) - построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью;

вывод полученного изображения на устройство вывода - дисплей или принтер.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Кафедра инженерной графики

Методические указания

к выполнению расчетно-графического задания

«Визуализация информации о процессах и явлениях»

Составитель: Червоняк Т.Ф. - старший преподаватель кафедры инженерной графики Мурманского государственного технического университета

Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании кафедры, протокол № 9 от 20.05.11 г.

Рецензент - к.т.н, доцент кафедры ТМ и С Иваней А.А.

Введение 4

Основы графического представления информации. 5

Графические модели процессов и явлений 20

Указания к выполнению графического задания

«Визуализация информации о процессах и явлениях» 51

Варианты заданий 52

Используемая литература 67

ВВЕДЕНИЕ

В данных методических указаниях изложены общие сведения о графических моделях процессов и явлений, предложены варианты графического задания, а также приведен пример выполнения задания «Визуализация информации о процессах и явлениях».

Цель задания – изучить основные правила составления идеографических моделей визуализации результатов научных и инженерных исследований, таких как таблица, диаграмма, схема.

В процессе выполнения работы студент получает навыки в выполнении таблиц, схем, диаграмм, а также в выборе модели наиболее эффективного средства передачи информации о процессе или явлении, овладевает техникой их вычерчивания в AutoCAD.

Основы графического представления информации

Возрастающий рост объема научно-технической и информации нуждается в современных способах ее обработки и передачи. От современного специалиста требуются качества, позволяющие быстро и точно обрабатывать и передавать большое количество информации. Наиболее эффективными средствами передачи информации являются визуальные, которые считываются органами зрения. Знание этих средств, умение ими пользоваться - составляющие графической грамотности, основы которой могут быть заложены при изучении учебного курса «Инженерная графика».

Инженерная графика - это своеобразный язык, с помощью которого, используя графические модели, специалист имеет возможность излагать свои инженерные замыслы. Причем этот графический язык является интернациональным, он понятен любому технически грамотному человеку.

Современные наука и техника требуют от инженера высокого уровня знаний и умений по визуализации различной информации. Это объясняется тем, что с одной стороны существует естественная потребность человека в зрительно-образных впечатлениях, и он легче усваивает информацию с помощью зрительных образов, а с другой стороны происходит стремительное развитие экранных средств обработки и передачи информации. Тем уместнее говорить не только о важности зрительного восприятия информации, но и об определенной культуре ее визуализации.

Визуальная грамотность - существенная составная часть профессиональной деятельности человека во всех областях знаний и производства. Обладая визуальной грамотностью, человек получает возможность воспроизводить и анализировать образы с помощью визуальных средств отображения (в том числе и компьютерных) на основе имеющихся знаний, использовать приемы творческой импровизации, воплощать свои идеи в изобразительной, технической или художественной графике.

Вербальный язык и вербальные категории содержат примитивные средства для того, чтобы строить пространство, интерпретировать его или производить с ним какие-то действия. Этой цели служат язык образов и

система перцептивных действий, с помощью которых человек строит образ окружающей действительности и ориентируется в ней. Эта система называется восприятием. Восприятие определяется как целостный образ, отражающий единство структуры и свойств объекта. Объектами зрительного восприятия служат предметы, процессы и явления окружающего мира, которые можно расчленить и описать в категориях пространства, движения, формы, текстуры, цвета, яркости и т. п. При восприятии предметов образ более или менее полно отражает объект или ситуацию, в которой находится человек.

Образы, созданные на основе визуального восприятия, обладают большей, чем слова, ассоциативной силой. Зрительный образ весьма пластичен. Это свойство проявляется в том, что в плане образа возможен быстрый переход от обобщенной оценки ситуации к подробному анализу ее элементов. Возможны различного рода перемещения отраженных в образе объектов, их сдвиги, повороты, а также увеличение, уменьшение, перспективные искажения и нормализация. Эта своеобразная манипулятивная способность зрительной системы позволяет представить ситуацию, как в прямой, так и в обратной перспективе. Манипуляции образами, их достраивание - важнейшие средства продуктивного восприятия и визуального мышления.

Многие исследования свидетельствуют о том, что в зрительной системе имеются механизмы, обеспечивающие рождение нового образа. Благодаря им человек способен видеть мир не только таким, каким он существует в действительности, но и таким, каким он может (или должен) быть. Это означает, что зрительные образы являются необходимым условием, даже более того - орудием мыслительной деятельности. Они связаны более непосредственно по сравнению с символами и речью, с окружающей человека предметной действительностью.

Невозможно подготовить творчески мыслящего специалиста без развития у него образного представления, воображения и мышления. Ощутимую пользу в этом деле оказывает универсальный аппарат проекционного схематизма. Один из важнейших инструментов проекционного моделирования, служащих для формирования пространственных представлений, - это геометрическая интерпретация. Объектами интерпретации являются графические модели в виде

комбинации чертежей, схем, текста, диаграмм и т. п. Графические модели предполагают отображение информации в виде набора средств графического представления информации: линий, символов, мнемонических знаков, используемых в соответствии с правилами построения графических моделей. При восприятии информации в таком виде необходим выход в более высокое по размерности операционное пространство, чем при восприятии текста. Степень точности при сопоставлении информационного объекта с его моделью зависит от полноты сведений о проекционном аппарате, который имел место при моделировании.

На рисунке 1 представлена одна из возможных классификаций графических моделей. Пиктографическая модель - графическая модель, составленная с использованием условных графических изображений (пиктограмм), обозначающих предметы, действия или события. Идеографическая модель - графическая модель, составленная с использованием идеограмм - условных письменных знаков, обозначающих понятия.

Вопрос эффективности передачи и усвоения информации является одним из главных на протяжении последних десятилетий. Основным средством коммуникации в мире в начале XXI века служит визуализация (визуальная форма передачи) информации. Наибольшее количество информации (примерно 80-90 %) человек воспринимает визуально.

Рисунок 1. Классификация графических моделей

Рисунок 2. Схема способов передачи информации между людьми

Эффективность, преимущество графического способа передачи информации, по сравнению с двигательным или звуковым (рисунок 2), состоит в том, что зрительное восприятие человеком передаваемой информации и создание им мысленного образа происходят настолько быстро, что человек этот процесс воспринимает как «мгновенный».

При построении графической модели необходимо оценить конструктивные элементы, которые можно использовать для ее создания, их возможности и ограничения: словарь форм и синтаксис их фразировки.

Если смысл текста раскрывается словами, то иллюстрация «говорит» на языке форм. К ним относятся точка, линия, плоская геометрическая фигура, цвет, текстура.

Точка. В теоретическом смысле она не имеет измерения (безразмерна) и указывает место расположения или положение. При создании графической модели (выражения) точка характеризуется концентрацией форм или зрительного восприятия в некотором центре, который привлекает и фиксирует зрительный фокус. Графически точка может быть представлена в виде кружка, пересечения линий, буквы или цифры (как часть графического выражения они часто визуально воспринимаются как точки). В графической практике точка может иметь различные размеры,

форму и цветовой тон (рисунок 3). Она может выступать в качестве символа, изображающего какой-нибудь специфический объект или идею.

Рисунок 3. Элементы, которые могут восприниматься как «Точка»

Линия - это одномерное образование, которое указывает направление, протяженность или движение. Применяется для изображения траектории или маршрута, для обозначения границ или деления. Линейная форма может варьироваться по толщине, длине, структуре, характеру, насыщенности и направлению. Линии бывают точечными или прерывистыми, совокупность отрезков или точек такой линии воспринимается глазом как единая линейная форма (рисунок 4). Слова и предложения как визуальные элементы также могут образовывать линии.

Рисунок 4. Элементы, которые могут восприниматься как «Линия»

Фигура (плоская форма) - двухмерное образование, используется для обозначения контура, площади, очертания, обрамления. Фигуры характеризуются строением своих краев, могут иметь только контур или быть сплошными (заполненными цветом); различаются по размерам, по распределению насыщенности частей, по положению в пространстве, по правильности очертания.

Сочетание слов и чисел может восприниматься как плоские формы (рисунок 5). Несколько геометрических фигур могут быть объединены в группу, образуя при этом плоскую форму больших размеров.

Рисунок 5. Элементы, которые могут восприниматься как «Плоская форма»

Тон или цвет - графическая форма, отражающая степень насыщенности цвета. При отсутствии цвета тон становится оттенком серого. В качестве фона при создании графической модели, состоящей из нескольких взаимосвязанных фигур, лучше использовать светлые тона: они более четко выявляют площадь или структуру, на которую наносятся черным цветом значимые формы. Темные оттенки, используемые в качестве фона, обеспечивают контраст для восприятия малых светлых или второстепенных графических форм. Как структурный элемент, тон является полезным средством для описания объемной формы с помощью светотеней. Это достигается применением сплошных плоскостей различного тона либо градацией тонов.

Текстура - графическая форма, отражающая качество поверхностной структуры объекта (рисунок 6). Текстура образуется скоплением малых частичек в определенной системе, визуальный характер которой зависит от всего этого скопления в целом. Как элемент графической модели, текстура отображает качества физических поверхностей. В этой роли она используется в сочетании с другими элементами формы, особенно с цветом и тоном.

Представление информации с помощью графической модели осуществляется на некоторой поверхности или плоскости. Физически плоскость модели – это поверхность листа или экрана, на котором располагаются различные графические формы.

Рисунок 6. Текстура

Но в зрительном восприятии такая плоскость может выполнять функцию трехмерного пространства, стеклянной панели, благодаря чему можно представить фигуру, расположенную за плоскостью рисунка. Возникает новое измерение - глубина.

Графическая модель неизбежно вызывает работу воображения и создание образа. Чтобы восприятие информации произошло быстро и точно, чтобы образ проник в сознание, он должен быть связан с привычными пространственными представлениями. В связи с этим графическую модель следует создавать с учетом не только индивидуальных смысловых значений графических форм, но и пространственного порядка, в котором эти формы соотносятся между собой. Такая пространственная организация называется грамматикой пространства. Пространственная организация может быть одноплановой (плоской), многоплановой и непрерывной (объемной).

В одноплановом пространстве графические формы полностью располагаются в плоскости рисунка, и модель является плоской по структуре и по расположению. В этом случае формы воспринимаются скорее как плоские геометрические фигуры на странице (на листе или экране), чем трехмерные объекты.

Существуют различные способы организации такого пространства:

прямолинейность, непрерывность, присоединение, ассоциация параллельности, одинаковые размеры, одинаковая резкость, равномерная текстура, объединение .

Пространство многоплановое создается при расположении графических форм на двух (или более) плоскостях. Одна из них - плоскость рисунка, а другая - вторичная плоскость. Таким образом достигается эффект расположения одних форм перед другими. Для создания впечатления о размещении плоских графических форм в различных плоскостях используются некоторые приемы отображения информации: наложение, контраст, «различный вес», ассоциация расстояния, неравные размеры, разная резкость, наложение текстур, разобщение.

Непрерывное пространство объемно по своей природе, в нем графическая форма воспринимается протяженной внутрь от плоскости рисунка непрерывно, создавая иллюзию пространственной массы. Для достижения этого эффекта используются следующие приемы: светотени, ассоциация расстояния, контраст, разная резкость, наложение, размытость текстуры.

Светотени - имитация различной освещенности разных участков графической формы.

Ассоциация расстояния - это сопоставление нарисованных форм с реальными объектами; использование известных из опыта размерных отношений для выявления расстояний между изображаемыми предметами.

Контраст - разделение форм по относительной удаленности путем использования разных оттенков цвета (контраста); более светлая форма отступает в направлении удаленного светлого фона.

Разная резкость - различия в фокусировке, т. е. в резкости; размытые края изображения отодвигают форму вглубь. Наложение более близких форм на более далекие. Размытость текстуры - уменьшение проработки текстуры поверхности у объектов, отступающих в глубину.

Кроме указанных выше приемов и их комбинации, наиболее выразительно передают объемность различные виды перспективы : линейная (параллельная, угловая, наклонная), цилиндрическая, купольная и др.

Графически информация отображается по закону строгого
соответствия композиционного решения, формы графического информационного средства его функциональному назначению, содержанию отображаемой информации. Композиционное решение должно быть цельным и гармоничным. Опыт экспериментальных эргономичных исследований и создания графических моделей представления информации позволил сформулировать ряд общих принципов их компоновки.

Принцип лаконичности заключается в том, что графическое средство представления информации должно содержать лишь те элементы, которые необходимы для сообщения наблюдателю существенной информации, точного понимания ее значения или принятия с вероятностью не ниже некоторой допустимой величины соответствующего оптимального решения. Бесполезно стремиться направить внимание на важнейшие элементы графической модели, если они окружены лишними, визуальными раздражителями, мешающими восприятию главного.

Принцип обобщения и унификации. Символы, обозначающие одни и те же объекты или явления, должны быть непременно унифицированы: иметь одно графическое решение в пределах всего комплекса графических средств. Принцип обобщения предписывает рациональную обобщенность деталей изображаемых объектов (исключает излишнее дробление).

Принцип акцента п редполагает выделение элементов, на которые должно быть направлено основное внимание, с помощью их размера, формы, цвета. В отдельных случаях допустимо нарушение пропорций между размерами символов и изображаемых ими реальных объектов.

Принцип автономности. Части графического средства представления информации, передающие самостоятельное сообщение, следует обособить и четко отграничить от других частей. Разбивая сложную графическую информацию на отдельные простые изображения, можно значительно облегчить ее восприятие и понимание.

Принцип структурности. Каждая автономная часть комплекса графических средств отображения информации должна иметь четкую, легко запоминающуюся и дифференцирующуюся структуру.

Принцип стадийности. В зависимости от стадий, последовательности и цели изложения информации выбирают определенные графические средства.

Принцип использования привычных ассоциаций и стереотипов. Учитываются устойчивые привычные ассоциации между символами и обозначаемыми ими объектами и явлениями, а также стереотипность реакции на определенные символы и сигналы. По возможности применяют не абстрактные условные знаки, а символы, привычно ассоциирующиеся с соответствующими объектами и явлениями. Однако необходимо учитывать, что слишком натуралистическое, подробное изображение внешнего вида фиксирует мысль именно на внешнем сходстве и мешает осознанию других (существенных) признаков объекта.

Композиция является завершающим этапом создания информационного графического средства (модели). Именно на этом этапе работ должно получиться сообщение, соответствующее всем требованиям, предъявляемым к нему: функциональным, эргономическим, эстетическим.

В каждом конкретном случае в зависимости от специфики создаваемых графических средств представления информации, их сложности, масштаба, контингента читателей и прочего композиция может быть представлена по-разному. Тем не менее существует ряд композиционных закономерностей и приемов, которые остаются незыблемыми и составляют основу построения самых разных графических моделей представления научной, технической и другой информации. Достигается это следующими средствами.

Симметрия и асимметрия . Равновесие, гармоничность в симметричных композициях (например, схемах) создается за счет симметрии, а в асимметричных - за счет зрительного уравновешивания неодинаковых частей композиции по отношению к центру или оси симметрии путем изменения размеров и формы графического средства.

Чаще всего основы композиции графического средства представления информации составляют горизонтали и вертикали. Это, как правило, линии, но могут быть использованы точки или компактные объекты. Компонуя графические информационные средства, следует учитывать биомеханику глаза, в частности то, что легче и быстрее глаз совершает горизонтальные движения, чем вертикальные. При этом надо учесть, что число объектов, расположенных в ряд, на одинаковом расстоянии, должно быть 7±2. Если это число больше, то для большинства людей возникает необходимость последовательного считывания информации. В этом случае

лучше информацию разбить на группы.

Метрическая и ритмическая закономерности повторяемости объектов. Метрическая повторяемость основана на равномерном чередовании одного или нескольких элементов. В дополнение к метричности ритм предполагает закономерное изменение некоторых характеристик: расстояние между элементами, их число в группах, форма элементов, их размеры и др.

Промежутки между элементами играют ту же роль, что и паузы в музыке. Если кроме пауз ввести акцент, т. е. усиление некоторых определенных элементов, то это сделает ритм еще более четким. Ритмическое построение осуществляется легче, если число элементов в ряду нечетное. Ощущение ритма может быть создано закономерными светоцветовыми соотношениями, линиями, имеющими одинаковый угол наклона, концентрическими углами, если они чередуются через закономерно изменяющиеся интервалы.

Ритмический ряд должен быть завершен и слева, и справа, так как информация может читаться в любом направлении. Для этого следует: увеличить интервалы перед крайними группами элементов; усилить акценты на центральных группах с применением вспомогательных средств (размеров, надписей, цвета и т. д.); включить в крайние группы инородные элементы.

Обрамление существенно влияет на то, что данное информационное средство воспринимается как самостоятельный, замкнутый зрительный объект или как один из элементов какого-то комплекса. Если это самостоятельный зрительный объект, то обрамление четкое.

Контраст и нюанс. Контраст - резко выраженная противоположность, преувеличение различий воспринимаемых графических форм. Например: черный цвет рядом с белым выглядит еще чернее; серый квадрат на красном фоне кажется зелено-голубым, а на синем - оранжевым. Наиболее резко контраст выражен на границе двух областей.

Нюанс - незначительные различия между однородными свойствами. Контраст и нюанс одновременно присутствуют в композиционном решении, поскольку один из этих приемов подчеркивается и усиливается вторым, придавая особую выразительность композиции в целом.

Масштабность. При создании графической информационной модели существуют трудности с выбором масштаба, поскольку с одной стороны такая модель рассматривается как самостоятельное средство небольших габаритов, а с другой - она является визуальной моделью отображаемого объекта, целой системы или явления. При такой точке зрения модель должна строиться как уменьшенная модель «большой формы». Однако визуальная модель (графическая модель) объекта не должна содержать подробности оригинала, так как это приводит к перегрузке графического средства излишними информационными деталями.

Примеры выбора графической модели в зависимости от цели передачи информации

Грамотность выбора графического средства представления информации заключается в эффективности использования цели, которая лежит в основе передачи информации. В зависимости от цели передачи информация подразделяется следующим образом:

что? Это внешний и внутренний вид объекта, его физическое строение (рисунок 7). Под объектом понимается предмет, имеющий геометрическую форму и размеры. Внешний вид - это характеристики объекта с теми их особенностями, которые воспринимаются зрительно. При создании более реалистического изображения внешнего вида чаще всего используют различные виды перспективы, светотени. Фон может опускаться для придания большей выразительности основным физическим характеристикам;

Информация, отвечающая на вопросы как? когда? Это информация, касающаяся физического движения объекта (рисунок 9), логики, отношения общего движения объекта и движения его частей, функционирования объекта как последовательного ряда взаимосвязанных событий, а также информация, отображающая систему (рисунок 8). Процесс представляет собой ряд последовательных действий объекта. Графическими средствами эти действия очень трудно описать в их естественной активной форме, поэтому они отражаются в виде статических элементов (рисунок 10);

Информация, отвечающая на вопрос сколько? Это количественная сторона понятия об объектах, касающаяся их физических размеров, тенденции возрастания или уменьшения, соотношения частей с целым. В

качестве графических моделей чаще всего используются таблицы и различные виды диаграмм;

Информация, отвечающая на вопрос где? Это информация о расположении объекта в пространстве или по отношению к другим объекта.

Рисунок 7. Графическое представление формы и структуры объекта

Рисунок 8. Графическое представление системы «Движение»

Рисунок 9. Графическое представление процесса

Рисунок 10. Графическое представление информации «Система»

©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-11