Опишите основные области применения компьютерной графики что такое компьютерная анимация

Обновлено: 06.07.2024

Компьютерная графика – это раздел информатики, который занимается проблемами получения изображений на компьютере. Изображения могут быть рисунками, чертежами, мультипликацией.

Рассмотрим сферы применения компьютерной графики.

Научная графика

В начале компьютерной эры вычислительная техника использовалась исключительно для решения научных и промышленных задач. Графика использовалась для интерпретации результатов. Например, при решении проектных задач, чертежи выводились на бумагу при помощи специального устройства графопостроителя, который выполнял чертеж, управляя движением пера по бумаге. Современная научная графика позволяет получать графическую интерпретацию научных расчетов на мониторе и выводить на печатные устройства. Для выполнения работ связанных с научной графикой используются специализированные прикладные пакеты программ, такие как Matlab, MathCad.

Деловая графика

Область компьютерной графики, которая занимается визуальным оформлением различных показателей работы организации. Чаще всего для этого используются различные виды диаграмм. На диаграммах можно наглядно представить сравнение плановых и фактических показателей, кривые спроса на продукцию, визуализировать показатели отчетной документации и т.д. Чаще всего используются те средства деловой графики, которые включены в состав табличных процессоров (MS Excel, Calc).

Готовые работы на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту Узнать стоимость

Конструкторская графика

Конструкторская графика. Этот вид графики используется в работе инженеров. Графическими средствами инженеры создают чертежи приборов, изобретений, сооружений, котельных и т.д. Здесь применяются как изображения отдельных проекций, так и объемные чертежи. Для работы с конструкторской графикой используются специальные системы автоматизированного проектирования (САПР). Самые популярные из них AutoCAD, DraftSight, Компас. На рисунке показан фрагмент проекта котельной, выполненный в системе AutoCAD.

Компьютерная живопись и иллюстративная графика

Это сфера деятельности профессиональных художников. Средства для работы с иллюстративной графикой называются графическими редакторами. К самым популярным относится Adobe Photoshop, CorelDraw. Художники-иллюстраторы часто пользуются дополнительными приложениями: Corel Painter IX, Pixarra TwistedBrush, Alias SketchBook Pro. Здесь есть возможность использовать различные кисти и фильтры, прорисовывать в специальных техниках текстуры тканей или шерсть животных, имитировать такие техники рисования как карандаш, акварель масло.

Компьютерная анимация

Позволяет получить движущиеся изображения на мониторе. Существует несколько видов анимации:

Анимация по ключевым кадрам. Этот вид анимации близок к традиционной мультипликации. Сначала создаются ключевые кадры. Потом аниматор расставляет их в нужной последовательности. Далее специальная программа связывает последовательные кадры в движущееся изображение.

Создание анимированных изображений в формате *.jpg является вполне посильной задачей для непрофессионала. Для этого нужно:

Заготовить в графическом редакторе (например, в Paint) последовательность кадров и сохранить их в любом доступном формате (.jpg, .bmp, .jpg).

Добавить подготовленные кадры при помощи кнопки «Добавить».

Нажать кнопку «Готово» внизу экрана.

Запись движения. С реальных движущихся объектов снимаются датчиками данные о движении. Например, если нужно воссоздать движения человека, то нужно считывать данные о движении конечностей, отдельных суставов. Потом создается компьютерная модель движущегося объекта, и считанные данные переносятся на нее. Этим способом можно достаточно точно воссоздать даже мимику лица.

Процедурная анимация

Движения различных механических систем легко описываются математическими уравнениями в частных производных. Для многих тел и механизмов эти уравнения давно известны, поэтому положение объекта или части системы в любой момент времени можно рассчитать на основе этих уравнений. Процедурная анимация широко применяется в компьютерных играх для создания простых движений.

Программируемая анимация

Этот вид анимации представляет собой нечто среднее между анимацией по ключевым кадрам и процедурной анимацией. Бесконечным циклом организуется непрерывная смена кадров. Но вместо ключевых кадров задается формула, по которой последующее положение объекта вычисляется через предыдущее.

Например, чтобы анимировать равномерное горизонтальное движение объекта, достаточно написать немного странную с точки зрения математики формулу: $x=x+1$. Эту формулу следует читать так: новое значение координаты x равно предыдущему значению, увеличенному на 1. Если шаг изменения координаты достаточно мал, то получится плавное движение объекта по горизонтали. Если прибавлять не 1, а, 10, то получится эффект движения рывками. Программируемую анимацию можно создать в любом языке программирования. В языках JavaScript и ActionScript существуют специальные средства для вставки такой анимации в веб-страницы.

Компьютерная графика – это наука, предметом изучения которой является создание, хранение и обработка моделей и их изображений с помощью электронно-вычислительной машины.

В компьютерной графике рассматриваются следующие задачи:

представление изображения в компьютерной графике;
подготовка изображения к визуализации;
создание изображения;
осуществление действий с изображением.

Под компьютерной графикой обычно понимают автоматизацию процессов подготовки, преобразования, хранения и воспроизведения графической информации с помощью компьютера.

Знание основ компьютерной графики и умение их использовать на простейшем бытовом уровне становится неотъемлемым элементом компьютерной грамотности современного человека. На данный момент существует множество сфер применения компьютерной графики.

компьютерное моделирование;
системы автоматизированного проектирования;
компьютерные игры;
обучающие программы;
реклама и дизайн;
мультимедиа презентации;
Internet.

К примеру, назначением научной графики является получение наглядных изображений, а именно построение графиков, чертежей и диаграмм, помогающих при решении сложных производственных задач, проведении экспериментов.

Говоря о работе инженеров, изобретателей и архитекторов, нельзя не упомянуть про такой раздел, как конструкторская графика. Построение чертежей вручную отнимает много времени, другое дело компьютерная программа, позволяющая оптимизировать процесс в поиске наиболее удачного решения.

В любом учреждении время от времени возникает необходимость классификации данных, создании статистических сводок и упорядочиванию отчетной документации. И здесь уж никак нельзя обойтись без помощи специальных графических приложений, предназначенных для наглядного представления показателей работы предприятия.

Область применения компьютерной графики не ограничивается одними художественными эффектами. Во всех отраслях науки, техники, медицины, в коммерческой и управленческой деятельности используются построенные с помощью компьютера схемы, графики, диаграммы, предназначенные для наглядного отображения разнообразной информации. Конструкторы, разрабатывая новые модели автомобилей и самолетов, используют трехмерные графические объекты, чтобы представить окончательный вид изделия. Архитекторы создают на экране монитора объемное изображение здания, и это позволяет им увидеть, как оно впишется в ландшафт.

Научная графика Первые компьютеры использовались лишь для решения научных и производственных задач. Чтобы лучше понять полученные результаты, производили их графическую обработку, строили графики, диаграммы, чертежи рассчитанных конструкций. Первые графики на машине получали в режиме символьной печати. Затем появились специальные устройства - графопостроители (плоттеры) для вычерчивания чертежей и графиков чернильным пером на бумаге. Современная научная компьютерная графика дает возможность проводить вычислительные эксперименты с наглядным представлением их результатов.

Деловая графика - область компьютерной графики, предназначенная для наглядного представления различных показателей работы учреждений. Плановые показатели, отчетная документация, статистические сводки - вот объекты, для которых с помощью деловой графики создаются иллюстративные материалы. Программные средства деловой графики включаются в состав электронных таблиц.

Конструкторская графика используется в работе инженеров-конструкторов, архитекторов, изобретателей новой техники. Этот вид компьютерной графики является обязательным элементом САПР (систем автоматизации проектирования). Средствами конструкторской графики можно получать как плоские изображения (проекции, сечения), так и пространственные трехмерные изображения.

Иллюстративная графика - это произвольное рисование и черчение на экране компьютера. Пакеты иллюстративной графики относятся к прикладному программному обеспечению общего назначения. Простейшие программные средства иллюстративной графики называются графическими редакторами.

Художественная и рекламная графика - ставшая популярной во многом благодаря телевидению. С помощью компьютера создаются рекламные ролики, мультфильмы, компьютерные игры, видеоуроки, видеопрезентации. Графические пакеты для этих целей требуют больших ресурсов компьютера по быстродействию и памяти. Отличительной особенностью этих графических пакетов является возможность создания реалистических изображений и "движущихся картинок". Получение рисунков трехмерных объектов, их повороты, приближения, удаления, деформации связано с большим объемом вычислений. Передача освещенности объекта в зависимости от положения источника света, от расположения теней, от фактуры поверхности, требует расчетов, учитывающих законы оптики.

Компьютерная анимация - это получение движущихся изображений на экране дисплее. Художник создает на экране рисунке начального и конечного положения движущихся объектов, все промежуточные состояния рассчитывает и изображает компьютер, выполняя расчеты, опирающиеся на математическое описание данного вида движения. Полученные рисунки, выводимые последовательно на экран с определенной частотой, создают иллюзию движения.

Компьютерная графика - это область информатики, которая охватывает все стороны формирования изображений с помощью компьютера. Появившись в 1950-х годах, она поначалу давала возможность выводить лишь несколько десятков отрезков на экране. В наши дни средства компьютерной графики позволяют создавать реалистические изображения, не уступающие фотографическим снимкам. Создано разнообразное аппаратное и программное обеспечение для получения изображений самого различного вида и назначения - от простых чертежей до реалистических образов естественных объектов. Компьютерная графика используется практически во всех научных и инженерных дисциплинах для наглядности восприятия и передачи информации. Применение ее для подготовки демонстрационных слайдов уже считается нормой. Трехмерные изображения используются в медицине (компьютерная томография), картографии, полиграфии, геофизике, ядерной физике и других областях. Телевидение и другие отрасли индустрии развлечений используют анимационные средства компьютерной графики (компьютерные игры, фильмы). Общепринятой практикой считается также использование компьютерного моделирования при обучении пилотов и представителей других профессий (тренажеры). Знание основ компьютерной графики сейчас необходимо и инженеру, и ученому.

Конечным результатом применения средств компьютерной графики является изображение, которое может использоваться для различных целей. Поскольку наибольшее количество информации человек получает с помощью зрения, уже в древние времена появились схемы и карты, используемые при строительстве, в географии и в астрономии.

Современная компьютерная графика - это достаточно сложная, основательно проработанная и разнообразная научно-техническая дисциплина. Некоторые ее разделы , такие как геометрические преобразования, способы описания кривых и поверхностей, к настоящему времени уже исследованы достаточно полно. Ряд областей продолжает активно развиваться: методы растрового сканирования, удаление невидимых линий и поверхностей, моделирование цвета и освещенности, текстурирование, создание эффекта прозрачности и полупрозрачности и др.

Сфера применения компьютерной графики включает четыре основных области.

1. Отображение информации

Проблема представления накопленной информации (например, данных о климатических изменениях за продолжительный период, о динамике популяций животного мира, об экологическом состоянии различных регионов и т.п.) лучше всего может быть решена посредством графического отображения.

Ни одна из областей современной науки не обходится без графического представления информации. Помимо визуализации результатов экспериментов и анализа данных натурных наблюдений существует обширная область математического моделирования процессов и явлений, которая просто немыслима без графического вывода. Например, описать процессы, протекающие в атмосфере или океане, без соответствующих наглядных картин течений или полей температуры практически невозможно. В геологии в результате обработки трехмерных натурных данных можно получить геометрию пластов, залегающих на большой глубине.

В медицине в настоящее время широко используются методы диагностики, использующие компьютерную визуализацию внутренних органов человека. Томография (в частности, ультразвуковое исследование) позволяет получить трехмерную информацию, которая затем подвергается математической обработке и выводится на экран. Помимо этого применяется и двумерная графика: энцефалограммы, миограммы, выводимые на экран компьютера или графопостроитель .

2. Проектирование

В строительстве и технике чертежи давно представляют собой основу проектирования новых сооружений или изделий. Процесс проектирования с необходимостью является итеративным, т.е. конструктор перебирает множество вариантов с целью выбора оптимального по каким-либо параметрам. Не последнюю роль в этом играют требования заказчика, который не всегда четко представляет себе конечную цель и технические возможности. Построение предварительных макетов - достаточно долгое и дорогое дело. Сегодня существуют развитые программные средства автоматизации проектно-конструкторских работ (САПР), позволяющие быстро создавать чертежи объектов, выполнять прочностные расчеты и т.п. Они дают возможность не только изобразить проекции изделия, но и рассмотреть его в объемном виде с различных сторон. Такие средства также чрезвычайно полезны для дизайнеров интерьера, ландшафта.

3. Моделирование

Под моделированием в данном случае понимается имитация различного рода ситуаций, возникающих, например, при полете самолета или космического аппарата, движении автомобиля и т.п. В английском языке это лучше всего передается термином simulation. Но моделирование используется не только при создании различного рода тренажеров. В телевизионной рекламе, в научно-популярных и других фильмах теперь синтезируются движущиеся объекты, визуально мало уступающие тем, которые могут быть получены с помощью кинокамеры. Кроме того, компьютерная графика предоставила киноиндустрии возможности создания спецэффектов, которые в прежние годы были попросту невозможны. В последние годы широко распространилась еще одна сфера применения компьютерной графики - создание виртуальной реальности.

4. Графический пользовательский интерфейс

На раннем этапе использования дисплеев как одного из устройств компьютерного вывода информации диалог "человек-компьютер" в основном осуществлялся в алфавитно-цифровом виде. Теперь же практически все системы программирования применяют графический интерфейс. Особенно впечатляюще выглядят разработки в области сети Internet. Существует множество различных программ-браузеров, реализующих в том или ином виде средства общения в сети, без которых доступ к ней трудно себе представить. Эти программы работают в различных операционных средах, но реализуют, по существу, одни и те же функции, включающие окна, баннеры, анимацию и т.д.

В современной компьютерной графике можно выделить следующие основные направления: изобразительная компьютерная графика, обработка и анализ изображений, анализ сцен (перцептивная компьютерная графика), компьютерная графика для научных абстракций (когнитивная компьютерная графика, т.е. графика, способствующая познанию).

Изобразительная компьютерная графика своим предметом имеет синтезированные изображения. Основные виды задач, которые она решает, сводятся к следующим:

построение модели объекта и формирование изображения;
преобразование модели и изображения;
идентификация объекта и получение требуемой информации.

Обработка и анализ изображений касаются в основном дискретного (цифрового) представления фотографий и других изображений. Средства компьютерной графики здесь используются для:

повышения качества изображения;
оценки изображения - определения формы, местоположения, размеров и других параметров требуемых объектов;
распознавания образов - выделения и классификации свойств объектов (при обработке аэрокосмических снимков, вводе чертежей, в системах навигации, обнаружения и наведения).

Анализ сцен связан с исследованием абстрактных моделей графических объектов и взаимосвязей между ними. Объекты могут быть как синтезированными, так и выделенными на фотоснимках. К таким задачам относятся, например, моделирование "машинного зрения" (роботы), анализ рентгеновских снимков с выделением и отслеживанием интересующего объекта (внутреннего органа), разработка систем видеонаблюдения.

Когнитивная компьютерная графика - только формирующееся новое направление, пока еще недостаточно четко очерченное. Это - компьютерная графика для научных абстракций, способствующая рождению нового научного знания. Технической основой для нее являются мощные ЭВМ и высокопроизводительные средства визуализации.

Одним из наиболее ранних примеров использования когнитивной компьютерной графики является работа Ч.Страуса "Неожиданное применение ЭВМ в чистой математике" (ТИИЭР, т. 62, № 4, 1974, с.96-99). В ней показано, как для анализа сложных алгебраических кривых используется "n-мерная" доска на основе графического терминала. Пользуясь устройствами ввода, математик может легко получать геометрические изображения результатов направленного изменения параметров исследуемой зависимости. Он может также легко управлять текущими значениями параметров, "углубляя тем самым свое понимание роли вариаций этих параметров". В результате получено "несколько новых теорем и определены направления дальнейших исследований".

По принципу анимирования можно выделить несколько видов компьютерной анимации.

Содержание

Анимация по ключевым кадрам

Расстановка ключевых кадров производится аниматором. Промежуточные же кадры генерирует специальная программа. Этот способ наиболее близок к традиционной рисованной анимации, только роль фазовщика берет на себя компьютер, а не человек.

Запись движения

Такой же метод используют для переноса мимики живого актера на его трёхмерный аналог в компьютере.

Процедурная анимация

Процедурная анимация полностью или частично рассчитывается компьютером. Сюда можно включить следующие её виды:

Симуляция физического взаимодействия твёрдых тел.
Имитация движения систем частиц, жидкостей и газов.
Имитация взаимодействия мягких тел (ткани, волос).
Расчёт движения иерархической структуры связей (скелета персонажа) под внешним воздействием (Ragdoll).
Имитация автономного (самостоятельного) движения персонажа. Примером такой системы является программа Euphoria.

Программируемая анимация

Широкое применение в сети получили два языка, с помощью которых программируются движения анимируемых объектов:

Конструкторы анимаций

Для создания анимированных изображений существует множество программ как платных, так и бесплатных.

Создание анимации с помощью цифрового фотоаппарата

Сегодня программное обеспечение, позволяющее задействовать цифровой фотоаппарат для съёмки анимации, применяется также часто, как и ставшие привычными 3D- или 2D-пакеты. Любая программа такого типа обеспечивает управление цифровым фотоаппаратом через компьютер и работу с полученными кадрами.

Хранение

Применение

Компьютерная анимация (последовательный показ слайд-шоу из заранее подготовленных графических файлов, а также компьютерная имитация движения с помощью изменения и перерисовки формы объектов или показа последовательных изображений с фазами движения, подготовленных заранее или порождаемых во время анимации) может применяться в компьютерных играх, мультимедийных приложениях (например, энциклопедиях), а также для «оживления» отдельных элементов оформления, например, веб-страниц и рекламы (анимированные баннеры). На веб-страницах анимация может формироваться средствами стилей (CSS) и скриптов (JavaScript) или модулями, созданными с помощью технологии Flash или её аналогов (флеш-анимация). С середины 1980-х годов компьютерная анимация используется для создания спецэффектов в кинематографе. Первым фильмом, содержащим ключевые сцены, основанные на изображении, синтезированном компьютером, стал «Терминатор 2: Судный день» [1] .

Несомненным преимуществом компьютерной 3D-анимации перед классической рисованной является полное отсутствие искажений пропорций объекта (черт лица и т.п.) при движении, неизбежных при ручной прорисовке.

Будущее

Одним открытым вызовом в компьютерной анимации является фотореалистичная анимация человека. В настоящее время большинство фильмов, созданных с использованием компьютерной анимации, показывают персонажей-животных (Приключения Флика, В поисках Немо, Рататуй, Ледниковый период, Лесная братва, Сезон охоты), фантастических персонажей (Корпорация монстров, Шрек, Черепашки-ниндзя, Монстры против пришельцев), антропоморфные машины (Тачки, ВАЛЛ-И, Роботы) или мультяшного человека (Суперсемейка, Гадкий я, Вверх). Фильм Последняя фантазия: Духи внутри нас часто приводится в качестве первого компьютерного фильма сделавшего попытку показать реалистично выглядящих людей. Однако из-за огромной сложности человеческого тела, движений человека, и биомеханики человека, реалистичная симуляция человека остаётся в значительной степени открытой проблемой. Еще одной проблемой является неприязнь, как психологический ответ на просмотр почти идеальный анимации человека, известная как «зловещая долина». Это один из «святых граалей» компьютерной анимации. В конечном счёте, целью является создание программного обеспечения, где аниматор сможет генерировать эпизоды показывающие фотореалистичного персонажа-человека, подвергаемого физически правдоподобным движениям, вместе с одеждой, фотореалистичные волосы, усложнённый естественный фон, и, возможно, взаимодействие с другими моделями персонажей-людей. Добившись этого, зритель будет уже не в состоянии сказать, что определённый эпизод компьютерный, или создан с использованием реальных актёров перед кинокамерой. Достижение полного реализма может иметь серьёзные последствия для киноиндустрии.

Не менее серьезные последствия данное достижение может принести судебной системе - станет проблематичным использование видео- или фотоматериалов в качестве улик, подтверждения алиби и т.д., так как необходимо будет однозначно доказывать реальность заснятого материала.

На данный момент используется трёхмерная компьютерная анимация, и её можно разделить на два основных направления: фотореалистичная и не фотореалистичный рендеринг. Фотореалистичная компьютерная анимация сама по себе может быть разделена на две подкатегории: реальный фотореализм (где захват движения используется в создании виртуального персонажа-человека) и стилизованный фотореализм. Реальный фотореализм это то, чего добились в Final Fantasy и в будущем, скорее всего, способен дать нам игровое кино с аспектами фентези, как в The Dark Crystal без использования передового кукольного театра и аниматроники, а Муравей Антц пример стилистического фотореализма (в будущем, стилизованный фотореализм сможет заменить традиционную анимацию движения стоп, как в мультфильме Труп невесты). Ни один из упомянутых не совершенен, но прогресс продолжается.

Читайте также: