Компьютерная графика и анимация

Министерство образования и науки РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ  ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ 

ВЫСШЕГО  ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ 

«НОВОСИБИРСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОГО И ИНФОРМАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ   

КАФЕДРА ГЕОМЕТРИИ И МЕТОДИКИ ОБУЧЕНИЯ МАТЕМАТИКЕ

 

 

 

 

КОМПЬТЕРНАЯ ГРАФИКА И АНИМАЦИЯ. ВИРУТАЛЬНАЯ РЕАЛЬНОСТЬ

 

 

 

 

Выполнил студент группы 16

А.Н. Головенских  

 

направление подготовки Педагогика и психология

профиль Образование взрослых

 

 

Проверил

Доцент Ю.Н.Ковшова   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Новосибирск 2014

 

 

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………………...3

1. Компьютерная графика……………..……………………………………….....4

1.1 Растровая графика…………………………...…………………………..……4

1.2 Векторная графика……………………………………………………..……..5

1.3 Фрактальная графика…………………………………………………….…..6

1.4 Трёхмерная графика……………………………………………………….…7

2. Компьютерная анимация…………………………….……………………...…8

3. Виртуальная реальность……………………………………………..….......…9

3.1 Реализация………………………………………………………………..…..10

Заключение…………………………………………………………………….…12

Список используемой литературы……………………………………………...13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

За несколько десятилетий мир изменился кардинально. Если раньше человеческая жизнь протекала в трехмерной системе координат, определяющей четырехмерное пространство, то сейчас пространство как минимум пятимерно и в системе координат к времени и протяженности добавилась новая координата, отмеряющая биты.

В последние годы развитие информационных технологий позволило создать технические и психологические феномены. Одно из которых в популярной и научной литературе получило название «виртуальной реальности». Развитие техники программирования, быстрый рост производительности полупроводниковых микросхем, разработка специальных средств передачи информации человеку, а также обратной связи — все это создало новое качество восприятия и переживаний, осознанные как виртуальные реальности. Внешний эффект состоял в том, что человек попадал в мир, или весьма похожий на настоящий, или предварительно задуманный, написанный программистом или получал новые возможности в плане мышления и поведения. Наиболее впечатляющим достижением новой информационной технологии, безусловно, является возможность для человека, попавшего в виртуальный мир, не только наблюдать и переживать, но действовать самостоятельно. Собственно говоря, человек и раньше мог, причем достаточно легко, попасть в мир виртуальной реальности, например, погружаясь в созерцание картины, кинофильма или просто, увлеченно читая книгу. Однако во всех подобных случаях активность человека была ограничена его позицией зрителя или читателя, он сам не мог включиться в действие как активный персонаж. В данной работе я хочу дать определения понятиям «компьютерная графика» и «виртуальная реальность»; выяснить значение этих феноменов в жизни каждого человека и человечества в целом.

 

 

1. Компьютерная графика

1.1 Растровая графика

Компьютерная графика - раздел информатики, который изучает средства и способы создания и обработки графических изображений при помощи компьютерной техники. Несмотря на то, что для работы с компьютерной графикой существует множество классов программного обеспечения, различают четыре вида компьютерной графики. Это растровая графика, векторная графика, трёхмерная и фрактальная графика. Они отличаются принципами формирования изображения при отображении на экране монитора или при печати на бумаге.

Основным (наименьшим) элементом растрового изображения является точка. Если изображение экранное, то эта точка называется пикселем. Каждый пиксель растрового изображения имеет свойства: размещение и цвет. Чем больше количество пикселей и чем меньше их размеры, тем лучше выглядит изображение. Большие объемы данных - это основная проблема при использовании растровых изображений. Для активных работ с большеразмерными иллюстрациями типа журнальной полосы требуются компьютеры с исключительно большими размерами оперативной памяти (128 Мбайт и более). Разумеется, такие компьютеры должны иметь и высокопроизводительные процессоры. Второй недостаток растровых изображений связан с невозможностью их увеличения для рассмотрения деталей. Поскольку изображение состоит из точек, то увеличение изображения приводит только к тому, что эти точки становятся крупнее и напоминают мозаику. Никаких дополнительных деталей при увеличении растрового изображения рассмотреть не удается. Более того, увеличение точек растра визуально искажает иллюстрацию и делает её грубой. Этот эффект называется пикселизацией.

 

1.2 Векторная графика

Как в растровой графике основным элементом изображения является точка, так в векторной графике основным элементом изображения является линия (при этом не важно, прямая это линия или кривая). В векторной графике объем памяти, занимаемый линией, не зависит от размеров линии, поскольку линия представляется в виде формулы, а точнее говоря, в виде нескольких параметров. Что бы мы ни делали с этой линией, меняются только ее параметры, хранящиеся в ячейках памяти. Количество же ячеек остается неизменным для любой линии.

Линия - это элементарный объект векторной графики. Все, что есть в векторной иллюстрации, состоит из линий. Простейшие объекты объединяются в более сложные, например объект четырехугольник можно рассматривать как четыре связанные линии, а объект куб еще более сложен: его можно рассматривать либо как двенадцать связанных линий, либо как шесть связанных четырехугольников. Из-за такого подхода векторную графику часто называют объектно-ориентированной графикой. Мы сказали, что объекты векторной графики хранятся в памяти в виде набора параметров, но не надо забывать и о том, что на экран все изображения все равно выводятся в виде точек (просто потому, что экран так устроен). Перед выводом на экран каждого объекта программа производит вычисления координат экранных точек в изображении объекта, поэтому векторную графику иногда называют вычисляемой графикой. Аналогичные вычисления производятся и при выводе объектов на принтер.

 

 

 

 

1.3 Фрактальная графика

Фрактал - это рисунок, который состоит из подобных между собой элементов. Существует большое количество графических изображений, которые являются фракталами: треугольник Серпинского, снежинка Коха, "дракон" Хартера-Хейтуея, множество Мандельброта. Построение фрактального рисунка осуществляется по какому-то алгоритму или путём автоматической генерации изображений при помощи вычислений по конкретным формулам. Изменения значений в алгоритмах или коэффициентов в формулах приводит к модификации этих изображений. Главным преимуществом фрактальной графики есть то, что в файле фрактального изображения сохраняются только алгоритмы и формулы.

1.4 Трёхмерная графика

Трёхмерная графика (3D-графика) изучает приёмы и методы создания объёмных моделей объектов, которые максимально соответствуют реальным. Такие объёмные изображения можно вращать и рассматривать со всех сторон. Для создания объёмных изображений используют разные графические фигуры и гладкие поверхности. При помощи их сначала создаётся каркас объекта, потом его поверхность покрывают материалами, визуально похожими на реальные. После этого делают осветление, гравитацию, свойства атмосферы и другие параметры пространства, в котором находиться объект. Для двигающихся объектом указывают траекторию движения, скорость.

 

 

 

 

 

 

 

2. Компьютерная анимация

Компьютерная анимация — вид мультипликации, создаваемый при помощи компьютера. В отличие от более общего понятия «графика CGI», относящегося как к неподвижным, так и к движущимся изображениям, компьютерная анимация подразумевает только движущиеся. На сегодня получила широкое применение как в области развлечений, так и в производственной, научной и деловой сферах. Являясь производной от компьютерной графики, анимация наследует те же способы создания изображений:

• Векторная графика
• Растровая графика
• Фрактальная графика
• Трёхмерная графика (3D)

В настоящее время существует различные технологии создания анимации:

Классическая (традиционная) анимация представляет собой поочередную смену рисунков, каждый из которых нарисован отдельно. Это очень трудоемкий процесс, так как аниматорам приходится отдельно создавать каждый кадр.

Стоп-кадровая (кукольная) анимация. Размещенные в пространстве  объекты фиксируются кадром, после чего их положение изменяется и вновь фиксируется.

Спрайтовая анимация реализуется при помощи языка программирования.

Морфинг – преобразование одного объекта в другой за счет генерации заданного количества промежуточных кадров.

Цветовая анимация – при ней изменяется лишь цвет, а не положение объекта.

3D-анимация создается при помощи специальных программ (например, 3D MAX). Картинки получаются путем визуализации сцены, а каждая сцена представляет собой набор объектов, источников света, текстур.

Захват движения (Motion Capture) – первое направление анимации, которое дает возможность передавать естественные, реалистичные движения в реальном времени. Датчики прикрепляются на живого актера в тех местах, которые будут приведены в соответствие с контрольными точками компьютерной модели для ввода и оцифровки движения. Координаты актера и его ориентация в пространстве  передаются графической станции, и анимационные модели оживают.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Виртуальная реальность

Виртуальная реальность  — умственная реальность, электронная реальность, компьютерная модель реальности  — созданный техническими средствами мир (объекты и субъекты), передаваемый человеку через его ощущения: зрение, слух, обоняние, осязание и другие. Виртуальная реальность имитирует как воздействие, так и реакции на воздействие. Для создания убедительного комплекса ощущений реальности компьютерный синтез свойств и реакций виртуальной реальности производится в реальном времени.

Объекты виртуальной реальности обычно ведут себя близко к поведению аналогичных объектов материальной реальности. Пользователь может воздействовать на эти объекты в согласии с реальными законами физики (гравитация, свойства воды, столкновение с предметами, отражение и т. п.). Однако часто в развлекательных целях пользователям виртуальных миров позволяется больше, чем возможно в реальной жизни (например: летать, создавать любые предметы и т. п.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.1 Реализация виртуальной реальности

Системами «виртуальной реальности» называются устройства, которые более полно по сравнению с обычными компьютерными системами имитируют взаимодействие с виртуальной средой, путём воздействия на все пять имеющихся у человека органов чувств.

Изображение:

Плоское изображение монитора может обеспечивать небольшой стереоэффект за счёт разной скорости движения частей изображения.Полный стереоэффект обеспечивается предоставлением каждому глазу своей картинки. Существуют ЖК-мониторы, формирующие объёмное изображение за счёт разного угла обзора.

Голографический проектор. Голография

Для индивидуального погружения в виртуальный мир важен широкий угол обзора и изменение направления взгляда вместе с поворотом головы, так, чтобы оно оставалось перед глазами, что обеспечивает шлем виртуальной реальности со встроенными гироскопами. Также используется виртуальный ретинальный монитор.

Звук:

Многоканальная акустическая система, позволяет производить локализацию источника звука, что позволяет пользователю ориентироваться в виртуальном мире с помощью слуха.

Имитация тактильных ощущений:

Имитация тактильных или осязательных ощущений уже нашла своё применение в системах виртуальной реальности. Это так называемые устройства с обратной связью. Применяются для создания медицинских тренажёров и решения задач виртуального прототипирования.

Управление:

С целью наиболее точного воссоздания контакта пользователя с окружением, применяются интерфейсы пользователя, наиболее реалистично соответствующие моделируемым: компьютерный руль с педалями, рукояти управления устройствами, целеуказатель в виде пистолета и т. д.

Для бесконтактного управления объектами используются как перчатки виртуальной реальности, так и отслеживание перемещений рук, осуществляемое с помощью видеокамер. Последнее обычно реализуется в небольшой зоне и не требует от пользователя дополнительного оборудования.

Прямое подключение к нервной системе:

Описанные выше устройства воздействуют на органы чувств человека, но данные могут передаваться и непосредственно нервным окончаниям, и даже напрямую в головной мозг посредством мозговых интерфейсов. Подобная технология применяется в медицине для замены утраченных чувствительных способностей, но пока она слишком дорога для повседневного применения и не достигает качества передачи данных, приемлемого для передачи виртуальной реальности. На этом же принципе основаны различные физиотерапевтические приборы и устройства, воспроизводящие ощущения реального мира в измененном состоянии сознания

 

 

 

Заключение

Человек проник во многие области познания реальности, ему известны физические законы, он осваивает полёты в космос, куда можно двигаться человеческой мысли – познавать и осваивать информационное пространство, которое не ограничено территориями и не изведано. Киберпространство – иллюзия, всюду проникающая и изменяющая отношение человека к реальности. При этом ценность реальной жизни для очень многих постоянных пользователей снижается до пограничной отметки, когда возвращаться к обыденной жизни становится все труднее и труднее с каждым днем. Вопрос в том, как сохранить контраст между реальными и виртуальными мирами, чтобы оставался стимул к творчеству, развитию, жизни? Как сохранить в человеке умение мечтать, ждать? Ведь виртуальная реальность сможет предоставить всё и сразу. Искусственные миры могут быть свободны от смерти, боли, раздражителей. Отказ от ограничений сделает реальность ущербной по сравнению с киберпространством. Эти вопросы, с одной стороны, вопросы метафизики киберпространства, с другой стороны, вопросы будущей трансформации социума.