Основы компьютерной графики

 

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ  И  НАУКИ  РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ 
 
СИБИРСКИЙ  ФЕДЕРАЛЬНЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
П. С. Шпаков, Ю. Л. Юнаков, М. В. Шпакова 
 
 
ОСНОВЫ 
КОМПЬЮТЕРНОЙ  ГРАФИКИ 
 
 
Допущено Учебно-методическим объединением вузов Российской 
Федерации по образованию в области горного дела в качестве учебного 
пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по  
направлениям подготовки (специальностям) «Горное дело» и «Физические 
процессы горного или нефтегазового производства» (рег. № 51-16/123 
от 22.04.2013) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2014 

 

УДК 004.92(07) 
ББК 32.973.2я73 
Ш83 
 
 
Р е ц е н з е н т ы:  

М. Г. Мустафин, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой «Инженер
ная геодезия» Национального минерально-сырьевого университета 
«Горный»; 

В. В. Руденко, д-р техн. наук, проф. кафедры «Маркшейдерское 

дело и геодезия» Московского государственного горного университета 
 
 
 

Шпаков, П. С. 

Ш83 
 
Основы компьютерной графики : учеб. пособие / П. С. Шпа
ков, Ю. Л. Юнаков, М. В. Шпакова. – Красноярск : Сиб. федер. 
ун-т, 2014. – 398 с. 
ISBN 978-5-7638-2838-2 
 
 
В учебном пособии приведены сведения, необходимые для самостоятельного изучения теоретической части курса «Компьютерная графика». 
Рассмотрены основные понятия, история, современные стандарты, классификация и области применения компьютерной графики; компьютерная геометрия; система координат и типы преобразования графической информации; аппаратный уровень компьютерной графики; цветовые модели и системы; форматы и расширения графических файлов; виды компьютерной 
графики по типу представления графических данных; обзор программ компьютерной графики; компьютерные программы САПР и ГИС в горномаркшейдерском деле. Пособие снабжено глоссарием. 

Предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки (специальностям) «Горное дело» и «Физические процессы горного или нефтегазового производства». Может быть 
полезно для студентов всех специальностей горного профиля, изучающих 
компьютерную графику. 
 
Электронный вариант издания см.: 
УДК 004.92(07) 
http://catalog.sfu-kras.ru 
ББК 32.973.2я73 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-2838-2 
© Сибирский федеральный  
университет, 2014  

Введение 

3 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Компьютерная графика в настоящее время сформировалась как наука 
об аппаратном и программном обеспечении для разнообразных изображений от простых чертежей до реалистичных образов естественных объектов. 
Компьютерная графика используется почти во всех научных и инженерных 
дисциплинах для наглядности восприятия и передачи информации. 
Компьютерная графика применяется в промышленном производстве, 
горном деле, архитектуре и градостроительстве, геологических изысканиях, в медицине, рекламном бизнесе, индустрии развлечений, позволяет моделировать и показывать быстрые процессы, например взрывы, горение 
и другие природные явления, а следовательно, она незаменима в процессах 
обучения, тренировки и предупреждения опасных ситуаций, связанных 
с жизнью и деятельностью человека, и многое другое немыслимо без использования компьютерных технологий. 
Конечным продуктом компьютерной графики является изображение. 
Это изображение может использоваться в различных сферах, например, 
оно может быть техническим чертежом, иллюстрацией с изображением детали в руководстве по эксплуатации, простой диаграммой, архитектурным 
видом предполагаемой конструкции или проектным заданием, рекламной 
иллюстрацией или кадром из мультфильма. 
Выпускник высшего учебного заведения, получающий диплом, отвечающий российским и мировым образовательным стандартам, должен не 
только иметь подготовку по использованию компьютерных программ геометрического моделирования в области своей специализации, но и уверенно 
применять их при выполнении курсовых и дипломных работ и проектов. 
Учебное пособие «Основы компьютерной графики» отражает содержание дисциплины «Маркшейдерско-топографическое черчение и компьютерная графика» (относится к профессиональному циклу С3Б1), обязательной в соответствии с учебным планом подготовки специалистов по 
направлению 130400.65 «Горное дело», специализация 130400.65.00.04 
«Маркшейдерское дело» в ФГАОУВПО «Сибирский федеральный университет», отвечает требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки (специальности) 130400 «Горное дело» (квалификация 
(степень) «специалист»), утвержденного приказом Министерства образования и науки Российской Федерации от 24 января 2011 г. № 89 (в ред. приказа Минобрнауки РФ от 31.05.2011 № 1975).  
Студенты изучают дисциплину в 3-м семестре. Дисциплина состоит из 
трех разделов: «Топографическое черчение»; «Маркшейдерское черчение» 

Введение 

4 

и «Компьютерная графика». Настоящее учебное пособие предназначено 
для студентов, начинающих осваивать компьютерную графику при самостоятельном изучении раздела «Компьютерная графика». 
Решение задач компьютерной графики требует глубоких знаний начертательной и аналитической геометрии, инженерной графики, математики, геометрического и цветового моделирования, аппаратного и программного обеспечения вычислительной техники, программирования графики, 
а также знаний в области деятельности человека, где она используется. 
Ввиду небольшого объема дисциплины «Компьютерная геометрия», определенного государственным стандартом в данном пособии рассматриваются лишь основные теоретические вопросы, касающиеся этого курса. При 
написании учебного пособия использованы последние исследования и достижения в области компьютерной геометрии и графики. 
Во многих работах по компьютерной графике исследуются узкоспециальные темы. При этом тем, кто только начинает осваивать эту область знаний, часто не хватает информации базового уровня, позволяющей сориентироваться в стремительно расширяющейся среде компьютерной графики.  
Поэтому наряду с изложением теоретического материала в книге 
особое внимание акцентировано на разъяснении смысла специфических 
терминов и понятий компьютерной графики.  
Основной целью курса является изучение следующих тем: 
1. Понятие, история, современные стандарты, классификация и области применения компьютерной графики. 
2. Компьютерная геометрия, система координат и типы преобразования графической информации; плоские параллельные ортогональные проекции, плоские параллельные аксонометрические проекции, плоская перспективная (центральная) проекция, математическое описание плоских 
геометрических проекций. 
3. Аппаратный уровень компьютерной графики:  
• устройства ввода информации: клавиатура; мышь; трекбол; трек 
пойнт; тачпад; сканер; ручные сканеры; листовые (протяжные) сканеры; 
планшетные сканеры; слайд-сканеры; сканер с CCD-матрицей; монохромные роликовые и барабанные сканеры; цифровая камера; графический 
планшет; дигитайзер; световое перо, джойстики;  
• устройства обработки, хранения и передачи информации: память 
компьютера; внутренние хранители информации; внутренняя память; оперативная память; постоянная память; объёмы ОЗУ; кэш-память; BIOS, 
cmos-память; flash-память; видеопамять; внешние хранители информации: 
жесткий магнитный диск (винчестер, HDD); 
• устройства вывода графических изображений: дисплей (монитор); 
видеокарта; принтеры. 

Введение 

5 

4. Цветовые модели и системы и конвертация цветовых моделей. 
5. Форматы и расширения графических файлов; сохранение изображений в собственных и «чужих» форматах. 
6. Виды компьютерной графики по типу представления графических 
данных: растровая графика; векторная графика; фрактальная графика; 3Dграфика (трехмерная графика); голография; web-графика. 
7. Обзор программ компьютерной графики. 
8. Компьютерные программы САПР ГИС в горно-маркшейдерском 
деле. 
Изучение курса направлено на освоение следующих компетенций: 
• профессиональные компетенции (ПК) – демонстрировать пользование компьютером как средством управления и обработки информационных массивов (ПК-4); 
• в области проектной деятельности (ПД) – готовность работать 
с программными продуктами общего и специального назначения для моделирования месторождений твердых полезных ископаемых, технологий 
эксплуатационной разведки, добычи и переработки твердых полезных ископаемых, при строительстве и эксплуатации подземных объектов, оценке 
экономической эффективности горных и горно-строительных работ, производственных, технологических, организационных и финансовых рисков 
в рыночных условиях (ПК-28); 
• в области специализации: готовность осуществлять производство 
маркшейдерско-геодезических 
работ, 
определять 
пространственновременные характеристики состояния земной поверхности и недр, горнотехнических систем, подземных и наземных сооружений и отображать информацию в соответствии с современными нормативными требованиями 
(ПСК-4-1); готовность обосновывать и использовать методы геометризации и прогнозирования размещения показателей месторождения в пространстве (ПСК-4-4). 
В результате изучения базовой части цикла С.3 по данной дисциплине обучающийся должен знать элементы компьютерной графики; программные средства компьютерной графики. 
Учебное пособие включает восемь глав, посвященных рассмотрению 
основ компьютерной графики, оно, несомненно, будет полезно всем пользователям, так или иначе применяющим предоставляемые компьютерной 
графикой средства в своей профессиональной деятельности. Без понимания терминологии и базовых понятий нельзя эффективно работать ни 
в одном из направлений современной компьютерной графики или смежных с ней областях.  
 

Основы компьютерной графики 

6 

1. 
ОБЩИЕ  СВЕДЕНИЯ 
 
 
1.1. Понятие компьютерной графики 
 
Специальную область информатики, занимающуюся методами 
и средствами создания, преобразования, обработки, хранения и вывода на 
печать изображений с помощью цифровых вычислительных комплексов, 
называют компьютерной графикой. 
Развитие компьютерной графики как самостоятельной области информатики началось в 90-х гг. прошлого столетия. Этому способствовало, 
с одной стороны, резкое повышение технических характеристик (емкость 
запоминающих устройств, быстродействие и разрядность процессора, возможность работы с массивами чисел, представленных в форме с плавающей запятой) и понижение стоимости аппаратного обеспечения, с другой 
стороны, появление адаптированного к работе с графикой как базового, 
так и прикладного программного обеспечения. 
За последнее десятилетие диапазон применения компьютерной графики существенно расширился. К примеру, ранее ее могли использовать 
только специалисты, работающие в некоторых предметных областях: 
• в медицине (компьютерная томография); 
• в научных исследованиях (астрономия, микробиология); 
• в инженерно-технических разработках (проектирование зданий, 
сооружений, летательных аппаратов). 
В наше время CGI-образы (от слов Computer Graphics Imagery – изображение, созданное на компьютере) окружают нас повсеместно: на телевидении, 
в кино, на рекламных щитах, на страницах газет и журналов. Компьютерная 
графика превратилась из узкоспециальной области интересов нескольких профессий в дело, которому стремятся посвятить себя множество людей. 
Компьютерная графика охватывает все виды и формы представления 
изображений, доступных для восприятия человеком: 
• на экране монитора компьютера; 
• на бумажном носителе; 
• на кинопленке; 
• на ткани и т. д. 
В компьютерной графике объекты существуют лишь в памяти компьютера, они не имеют физической формы и представляют собой совокупность цифр, поэтому такие изображения называют цифровыми. 
Создано разнообразное аппаратное и программное обеспечение для 
получения изображений самого различного вида и назначения – от простых чертежей до реалистических образов естественных объектов.  

1. Общие  сведения 

7 

Конечным результатом применения средств компьютерной графики 
является изображение, которое может использоваться для различных целей. Компьютерная графика применяется для наглядности восприятия 
и передачи самой разнообразной информации. Практически не существует 
демонстрационных слайдов без использования компьютерной графики.  
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. 
Трехмерные изображения применяются в медицине (например, в области компьютерной томографии), картографии, полиграфии и других областях. В медицине в настоящее время широко используются методы диагностики, использующие компьютерную визуализацию внутренних органов человека. Помимо этого применяется и двумерная графика, которую 
можно отобразить на экране компьютера или на графопостроителе. 
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 полезны для дизайнеров 
интерьера, ландшафта. 
Интерактивные графические элементы применяются при создании 
моделирующих систем обучения (виртуальных тренажеров). Под моделированием в данном случае понимается имитация различного рода ситуаций, возникающих, например, при движении автомобиля, решении задач 
управления бизнесом и т. д. 
Телевидение и другие отрасли индустрии развлечений используют 
анимационные средства компьютерной графики (компьютерные игры, 
фильмы). 
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. 
Следует отметить важную роль компьютерной графики при создании 
пользовательских интерфейсов. Теперь уже практически все системы поддерживают диалог «человек – компьютер» в графическом виде. 
Само понятие компьютерной графики включает в себя следующие 
основные понятия: 

Основы компьютерной графики 

8 

• Разрешение экрана. Это свойство компьютерной системы (зависит 
от монитора и видеокарты) и операционной системы (зависит от настроек 
Windows). Измеряется в пикселях и определяет размер изображения, которое может поместиться на экране целиком. 
• Разрешение принтера. Это свойство принтера, выражающее количество отдельных точек, которые могут быть напечатаны на участке единичной длины. Измеряется в единицах dpi (точки на дюйм) и определяет 
размер изображения при заданном качестве или, наоборот, качество изображения при заданном размере. 
• Разрешение изображения. Это свойство самого изображения. Измеряется также в точках на дюйм и задается при создании изображения 
в графическом редакторе или с помощью сканера. Значение разрешения 
изображения хранится в файле изображения и неразрывно связано с другим свойством изображения – его физическим размером. 
• Физический размер изображения. Он может измеряться как в пикселях, так и в единицах длины. Он задается при создании изображения 
и хранится вместе с файлом. 
• Цветовое разрешение. Оно определяет метод кодирования цветовой и информации, и от него зависит то, сколько цветов на экране может 
отображаться одновременно. 
• Цветовая модель. Это способ разделения цветового оттенка на составляющие компоненты. Существует много различных типов цветовых 
моделей, но в компьютерной графике, как правило, применяется не более 
трех (RGB, CMYK, HSB). 
• Цветовая палитра. Это таблица данных, в которой хранится информация о том, как закодирован тот или иной цвет. Самый удобный для 
компьютера способ кодирования цвета – 24-разрядный, True Color. 
Приложения компьютерной графики очень разнообразны. Для каждого направления создается специальное программное обеспечение, которое называется графическими программами, или графическим пакетом. 
 
 
1.2. История развития компьютерной графики 
 
Компьютерной (машинной) графикой называют область деятельности, в которой компьютеры используются для создания и обработки изображений, а также полученные изображения. История компьютерной графики тесно связана с развитием вычислительной техники. Так, несмотря на 
то, что первые вычислительные машины не имели специальных средств 
работы с графикой, они уже использовались для получения и обработки 
изображений. Их программируемая память была построена на основе матрицы ламп, позволяющей получить узор. 

1. Общие  сведения 

9 

История развития компьютерной графики началась в XX в. и продолжается сегодня. Не секрет, что именно графика способствовала росту 
быстродействия компьютеров.  
1940–1970 гг. – время больших компьютеров (эра доперсональных 
компьютеров). Графикой занимались только при выводе на принтер. В этот 
период заложены математические основы. Особенности: пользователь не 
имел доступа к монитору, графика развивалась на математическом уровне 
и выводилась в виде текста, напоминающего на большом расстоянии изображение. 
В 1961 г. программист С. Рассел возглавил проект по созданию первой компьютерной игры с графикой. Создание игры «Spacewar» («Космические войны») заняло около 200 человеко-часов. Игра была создана на 
машине PDP-1.  
В 1963 г. американский учёный Айвен Сазерленд создал программно-аппаратный комплекс Sketchpad, который позволял рисовать точки, линии и окружности на трубке цифровым пером. Поддерживались базовые 
действия с примитивами: перемещение, копирование и др. По сути это был 
первый векторный редактор, реализованный на компьютере. Также программу можно назвать первым графическим интерфейсом, причём она являлась таковой ещё до появления самого термина.  
В середине 1960-х гг. появились разработки в промышленных приложениях компьютерной графики. Так, под руководством Т. Мофетта 
и Н. Тейлора фирма Itek разработала цифровую электронную чертёжную 
машину. В 1964 г. General Motors представила систему автоматизированного проектирования DAC-1, разработанную совместно с IBM.  
Графопостроители появились в конце 60-х гг. ХХ в. и практически 
были не известны. Первые вычислительные машины не имели отдельных 
средств для работы с графикой, однако уже использовались для получения и обработки изображений. Программируя память первых электронных машин, построенную на основе матрицы ламп, можно было получать 
узоры. 
В 1968 г. группой под руководством Н. Н. Константинова была создана компьютерная математическая модель движения кошки. Машина 
БЭСМ-4, выполняя написанную программу решения дифференциальных 
уравнений, рисовала мультфильм «Кошечка», который для своего времени 
являлся прорывом. Для визуализации использовался алфавитно-цифровой 
принтер.  
Существенный прогресс компьютерная графика испытала с появлением возможности запоминать изображения и выводить их на компьютерном дисплее, электронно-лучевой трубке.  
В 70-е г. ХХ в. значительное число теоретических и прикладных работ было направлено на развитие методов отображения пространственных