Компьютерная графика

С. Г. Шульдова

КОМПЬЮТЕРНАЯ ГРАФИКА 

Допущено Министерством образования Республики Беларусь

в качестве учебного пособия для учащихся учреждений 
образования, реализующих образовательные программы 

среднего специального образования по специальностям «Живопись», 

«Скульптура», «Декоративно-прикладное искусство», «Дизайн», 

«Фотография» и профессионально-технического образования 

по специальности «Декоративно-прикладное искусство»

Минск
РИПО

2019

УДК 681.321:004.925(075)
ББК 85.15:32.97я7

Ш95

А в т о р:

доцент кафедры программного обеспечения информационных технологий 

УО «Белорусский государственный университет информатики 

и радиоэлектроники» кандидат технических наук, доцент С. Г. Шульдова

Р е ц е н з е н т ы:

цикловая комиссия дизайна и декоративно-прикладного искусства 

УО «Минский государственный художественный колледж 

имени А. К. Глебова» (А. А. Головко); 

старший преподаватель кафедры народного декоративно-прикладного 
искусства УО «Белорусский государственный университет культуры 

и искусств» кандидат искусствоведения О. А. Терешонок

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее части 

не может быть осуществлено без разрешения издательства.

Выпуск издания осуществлен при финансовой поддержке Министерства образования Рес
публики Беларусь.

Ш95

Шульдова, С. Г.

Компьютерная графика : учеб. пособие / С. Г. Шульдова. – Минск : 

РИПО, 2019. – 299 с. : ил.

ISBN 978-985-503-987-8.

В учебном пособии изложены основы компьютерной графики: сведения о спосо
бах представления и соответствующих типах цифровых изображений, форматах графических файлов, цветовых моделях. Рассмотрены редакторы растровой, векторной 
и трехмерной графики. Особое внимание уделено формированию навыков создания 
и обработки изображений средствами наиболее популярных графических редакторов. 

Предназначено для учащихся учреждений среднего специального образования 

по специальностям «Живопись», «Скульптура», «Декоративно-прикладное искусство», «Дизайн», «Фотография» и профессионально-технического образования по 
специальности «Декоративно-прикладное искусство».

УДК 681.321:004.925(075)

ББК 85.15:32.97я7

ISBN 978-985-503-987-8 
 © Шульдова С. Г., 2019
© Оформление. Республиканский институт

профессионального образования, 2019

ВВЕДЕНИЕ

Ежегодно 3 декабря отмечается Всемирный день компьютерной 

графики. Дата выбрана не просто так: этот день в англо язычном варианте – 3 December, т. е. получается единственное в своем роде ключевое 
сочетание 3December, или 3D.

В современном мире, который по праву можно назвать миром ин
формационных технологий, компьютерная графика занимает прочные 
позиции во многих сферах человеческой жизни: практически все изображения, которые нас окружают (обложки журналов, книги, газеты, 
рекламная печатная продукция, рек ламные ролики по телевидению, 
фильмы, презентации, сеть Интернет и т. д.), – объекты применения 
методов и инструментальных средств компьютерной графики. Это обусловлено следующими причинами: 

y эффективнее и экономически выгоднее создавать изображение на 

компьютере, чем используя традиционные методы;

y легче становится улучшать цифровые изображения и компоно
вать их с текстом;

y компьютер обеспечивает надежное сохранение изображений на 

носителях информации. 

Сегодня любому человеку, работающему в сфере дизайна, фото
графии, полиграфии, необходимо владеть основными графическими 
пакетами. Однако эффективная работа с графикой не только подразумевает хорошее владение определенными графическими программами, средствами для создания и обработки изображений, но и требует 
конкретных знаний в области представления и хранения графической 
информации.

Компьютерная графика – симбиоз науки, творчества и компьютер
ных технологий. Это область информатики, изучающая методы и средства создания и обработки изображения с помощью программно-аппаратных вычислительных комплексов. Предметом ее изучения является 
создание, хранение и обработка моделей и их изображений с помощью 
средств вычислительной техники. 

Результатом применения компьютерной графики является цифро
вое изображение – массив графической информации, представленный 
в форме данных, пригодных для хранения на цифровых носителях, обработки с помощью программ, воспроизведения с помощью периферийных графических устройств и передачи средствами телекоммуникации. 

Введение

В зависимости от сферы использования изображения компьютер
ную графику подразделяют на следующие виды:

y научная графика – визуализация объектов научных исследова
ний, графическая обработка результатов расчетов, проведение вычислительных экспериментов с наглядным представлением их результатов;

y деловая графика – наглядное представление различных показате
лей работы учреждений (диаграммы в MS Excel);

y конструкторская графика, используемая в работе инженеров
конструкторов, архитекторов, изобретателей новой техники. Этот вид 
компьютерной графики является обязательным элементом систем автоматизированного проектирования (САПР);

y иллюстративная графика – создание иллюстраций (2D). Пакеты 

иллюстративной графики называют графическими редакторами и относят к прикладному программному обеспечению общего назначения;

y Web-графика – создание графических элементов Web-стра ниц. 

Для изображений Web-графики характерны ограничения по размеру 
файлов в целях минимизации времени передачи по сети и необходимость сохранения качества изображения;

y 3D-графика и компьютерная анимация – создание искусствен
ных предметов и персонажей, их анимация и совмещение с реальными 
предметами и интерьерами. Сфера применения: индустрия компьютерных игр, телереклама и оформление телеканалов, архитектура и дизайн;

y мультимедиа – создание интерактивных энциклопедий, справоч
ных систем, обучающих программ и интерфейсов к ним. Помимо графических редакторов, используют программы создания мультимедиа, 
например Macromedia Director и MS PowerPoint;

y видеомонтаж: спецэффекты в кино, подготовка телевизионных 

передач.

Таким образом, компьютерная графика в современном обществе 

является базовым инструментом для дизайнера, стилиста, специалиста 
по рекламе, мастера издательского дела, строителя, архитектора, художника, инженера, конструктора, технолога, научного работника. А основным инструментом для применения компьютерной графики являются графические редакторы. 

Файлы, необходимые для выполнения практических заданий, 
приведенных в учебном пособии, можно скачать здесь.

РАЗДЕЛ 
1

ВВЕДЕНИЕ В КОМПЬЮТЕРНУЮ ГРАФИКУ 

1.1. История развития компьютерной графики

Развитие компьютерной графики во многом обусловлено 

развитием технических средств ее поддержки, и прежде всего 
устройств вывода – мониторов или дисплеев. До 50-х годов прошлого столетия компьютеры выводили информацию только на печатающие устройства. Впервые в 1950 году в Кембриджском университете (Англия) электронно-лучевая трубка осциллографа была 
использована для вывода графической информации на компьютере EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Computer).

Примерно полтора года спустя английский ученый К. Стрет
чи написал для компьютера «Марк 1» программу, позволявшую 
играть в шашки и выводить информацию на экран. Однако это 
были лишь отдельные примеры, не носившие системного характера. 

Реальный прорыв в представлении графической информа
ции на экране монитора произошел в рамках военного проекта 
на базе компьютера «Вихрь» Массачусетского технологического 
института (США). Данный компьютер использовался для фиксации информации о вторжении самолетов в воздушное пространство США. Первая демонстрация «Вихря» состоялась 20 апреля 
1951 года – радиолокатор посылал информацию о положении самолета компьютеру, и тот передавал на экран положение самолета-цели, которая отображалась в виде движущейся точки и буквы 
T (Target). Это был первый крупный проект, в котором электронно-лучевую трубку использовали для отображения графической 
информации.

С этого эксперимента начался этап развития векторных дис
плеев (дисплеев с произвольным сканированием луча, каллиграфических дисплеев). 

В 1961 году программист С. Рассел возглавил проект по соз
данию первой компьютерной игры с графикой «Spacewar» («Космические войны»). Игра была создана на машине PDP-1. 

Раздел 1. Введение в компьютерную графику 

В 1963 году американский ученый в области информатики 

А. Сазерленд создал программно-аппаратный комплекс Sketchpad, который позволял рисовать точки, линии и окружности на 
трубке цифровым пером. По сути, это был прообраз САПР, реализованный на компьютере. Также программу можно назвать 
первым графическим интерфейсом, причем она являлась таковой 
еще до появления самого термина. Сам же термин «компьютерная графика» придумал в 1960 году сотрудник компании Boeing 
У. Феттер.

К середине 1960-х годов наступил период плодотворной ра
боты и в промышленных приложениях компьютерной графики. 
Фирма Itek разработала цифровую электронную чертежную машину. В 1964 году General Motors представила систему автоматизированного проектирования DAC-1, разработанную совместно с IBM.

В 1968 году в СССР был снят мультфильм «Кошечка», в кото
ром впервые появился анимированный компьютером персонаж. 
Группой под руководством математика Н. Н. Константинова была 
создана компьютерная математическая модель движения кошки. 
Машина БЭСМ-4, выполняя написанную программу решения 
дифференциальных уравнений, рисовала мультфильм, который 
для своего времени являлся прорывом. 

В конце 1970-х годов в компьютерной графике произошли 

значительные изменения. Появились мониторы с растровым сканированием, имеющие множество преимуществ: вывод больших 
массивов данных, устойчивое, немерцающее изображение. Впервые стало возможным получение цветовой гаммы. Со временем 
появились и другие технологии, которые позволили создавать более компактные и легкие экранные панели. 

В 1977 году компания Commodore выпустила персональный 

электронный делопроизводитель (РЕТ), а компания Apple создала компьютер Apple-II. 

В это же время интенсивно развивается индустрия ком
пьютерных игр. Одновременно компьютерную графику начинают широко использовать на телевидении и в киноиндустрии. 
В 1975 году Дж. Лукас основал собственную компанию Industrial 
Light & Magic (ILM), которая занималась разработкой спецэффектов. Немного позже в рамках этой компании было основано 
подразделение Lucasfilm CG (Lucasfilm Computer Graphics), которое начало активно развивать компьютерную графику. Именно 
оно выпустило в 1984 году первый анимационный CG-фильм 

1.1. История развития компьютерной графики
1.1. История развития компьютерной графики

«Приключения Андре и пчелки Уолли» (The Adventures of Andre 
& Wally B.). Этот фильм отличался от эффектов, которые создавались ранее, он был полностью сделан при помощи компьютера.

Еще одно важное событие в процессе становления области 

компьютерной графики – выпуск в 1984 году компанией Apple 
компьютеров Macintosh. Они были для своего времени настоящей революцией. Во-первых, Macintosh серийно поставлялся 
с цветным монитором. Во-вторых, его операционная система 
обладала наглядным, визуальным интерфейсом. И в-третьих, 
его мощности было достаточно для обработки графических изображений. В 1985 году появился первый мультимедийный персональный компьютер Amiga, который впервые позволил отображать фотографии, а впоследствии и видеоизображение на экране 
компьютера. 

В 1980-е годы появляется целый ряд компаний, занимающих
ся прикладными разработками в области компьютерной графики, 
в частности Silicon Graphics, Adobe System. К концу 80-х годов 
программное обеспечение имелось для всех сфер применения: от 
комплексов управления до настольных издательских систем. В эти 
годы компьютерная графика уже прочно внедряется в киноиндустрию, развиваются приложения к инженерным дисциплинам.

В 1990-е годы в связи с возникновением сети Интернет 

у компьютерной графики появляется еще одна сфера приложения. Стираются различия между компьютерной графикой и обработкой изображения. Кроме того, появляется возможность работы с видео. 

Таким образом, в процессе развития компьютерной графики 

можно выделить несколько этапов:

y 1960–1970-е годы: компьютерная графика формировалась 

как научная дисциплина. В это время разрабатывали основные 
методы и алгоритмы: отсечение, растровая развертка графических примитивов, закраска узорами, реалистическое изображение пространственных сцен (удаление невидимых линий и граней, трассировка лучей, излучающие поверхности), моделирование освещенности;

y 1980-е годы: графика развивается более как прикладная 

дисциплина. Разрабатывают методы ее применения в самых различных областях человеческой деятельности;

y 1990-е годы: методы компьютерной графики становятся ос
новным средством организации диалога «человек – компьютер» 
и остаются таковыми по настоящее время.

Раздел 1. Введение в компьютерную графику 

1.2. Способы представления цифровых изображений.

Типы компьютерной графики

В зависимости от принципа формирования изображения 

компьютерную графику подразделяют на следующие виды: 

y растровая;
y векторная;
y фрактальная; 
y трехмерная.
Трехмерная графика предназначена для отображения объем
ных объектов. Она подробно рассматривается в главе 4.

1.2.1. Растровая графика
Под растровой графикой понимают формирование изображе
ния в том виде, в котором оно выводится на экран монитора и на 
печать. Основным элементом растрового изображения является 
точка; если изображение экранное, то эта точка называется пикселем. Таким образом, растровое изображение может быть представлено в виде матрицы элементов – пикселей.

Пиксель – минимальный участок изображения, которому 

независимым образом можно задать цвет.

Для растровых изображений особую важность имеет понятие 

разрешения, выражающее количество точек, приходящихся на 
единицу длины: точек на дюйм – dpi (dots per inch) или пикселей 
на дюйм – ppi (pixels per inch). 

Чем выше разрешение, тем большее количество пикселей 

содержит изображение и тем, соответственно, меньше размер 
отдельного пикселя. Например, если изображение имеет размер, 
равный одному квадратному дюйму, а разрешение изображения 
равно 8 ppi, то количество пикселей, содержащихся в нем, равно 
1 ∙ 82 = 64. Если разрешение 16 ppi, то изображение этого же 
размера содержит 1 ∙ 162 = 256 пикселей. Ни 8, ни 16 пикселей 
на дюйм не могут обеспечить создание качественного изображения. 

На рисунке 1.1 показаны линейка и согласование числа пик
селей с разрешением изображения. 

Следует различать:
y разрешение изображения (входное разрешение);
y разрешение экрана (выходное разрешение);
y разрешение печатающего устройства (выходное разрешение).

1.2. Способы представления цифровых изображений
1.2. Способы представления цифровых изображений

Пиксель

1
0
1
0
1
0

8 ppi 
16 ppi
72 ppi

Рис. 1.1. Изображения с различными разрешениями

Все эти понятия относятся к разным объектам. Друг с дру
гом эти виды разрешения никак не связаны, пока не потребуется 
узнать, какой физический размер будут иметь изображение на 
экране монитора и отпечаток на бумаге.

Разрешение изображения определяют, когда изображение 

оцифровывают с использованием сканера или цифрового фотоаппарата или создают в программе обработки и редактирования изображения. Значение разрешения изображения хранится 
в файле изображения и неразрывно связано с другим свойством 
изображения – его физическим размером, определяющим физическую длину и ширину изображения. 

Физический размер изображения можно измерять как в пик
селях, так и в единицах длины (миллиметрах, сантиметрах, дюймах). Если изображение готовят для демонстрации на экране, то 
его ширину и высоту задают в пикселях, если изображение готовят для печати, то его размер задают в единицах длины.

Выбор в качестве единицы измерения пикселя приводит 

к тому, что размер изображения определяют установленными 
значениями ширины и высоты и он не зависит от разрешения. 

При установке в качестве единиц измерения дюймов размер 

изображения определяют по формуле

Размер изображения = (Ширина ∙ Высота) ∙ Разрешение2.

Разрешение экрана измеряют в пикселях, оно определяет раз
мер изображения, которое может поместиться на экране целиком. У монитора с диагональю 15 дюймов размер изображения на 
экране составляет примерно 28 × 21 см. Зная, что в одном дюйме 
25,4 мм, можно рассчитать, что при работе монитора в режиме 
800 × 600 пикселей разрешение экранного изображения равно 
72 рpi, а в в режиме 1024 × 768 – 92 рpi.

Раздел 1. Введение в компьютерную графику 

Например, есть два изображения: первое размером 1 × 1 дюйм 

с разрешением 200 ppi и второе размером 2 × 2 дюйма с разрешением 100 ppi. На экране они выглядят идентично, поскольку имеют одинаковый размер изображения в пикселях: (1 ∙ 1) ∙ 2002 =
= 400 000 пикселей (первое) и (2 ∙ 2) ∙ 1002 = 400 000 пикселей 
(второе). 

Разрешение печатающего устройства – это свойство, выража
ющее количество отдельных точек, которые могут быть напечатаны на участке единичной длины. 

Для экранной копии достаточно разрешения 72 dpi, при пе
чати разрешение должно быть намного выше. Полиграфическая 
печать полноцветного изображения требует разрешения не менее 
300 dpi. Стандартный фотоснимок размером 10 × 15 см должен 
содержать примерно 1000 × 1500 пикселей.

У растровой графики есть два существенных недостатка: 

большой объем данных и потеря качества при масштабировании.

При уменьшении количества точек теряются мелкие детали 

и деформируются надписи. 

Для увеличения размеров изображения возможны следую
щие варианты: 

y увеличить изображение, увеличив размеры пикселей;
y добавить пиксели и создать для них новые цвета. 

1.2.2. Векторная графика

В основе векторной графики лежат математические представ
ления о свойствах геометрических фигур: точки, прямой, отрезка 
прямой, кривой второго порядка, кривых Безье. 

Базовым элементом является линия, которая обладает свой
ствами: формой, толщиной, цветом, начертанием. Для описания 
прямой линии используют уравнение y = ax + b. В отличие от 
прямой, отрезок требует дополнительных параметров, соответствующих его началу и концу. Узлы, наряду с линиями, выполняют функции основных элементов векторного изображения. 
Узел представлен двумя координатами (Х, Y) относительно начала координат. Узлы также имеют свойства, параметры которых 
влияют на форму конца линии и характер сопряжения с другими 
объектами. Они служат для построения контуров, из которых 
состоят все прочие объекты векторной графики. Замкнутые контуры приобретают свойство заполнения. В качестве заполнителя