Мухин О.И. Методические указания. Контрольные задания и задания на курсовую работу по дисциплине Компьютерная графика
Подождите немного. Документ загружается.
21. Модели света.
Уясните психофизиологические аспекты восприятия света и цвета, связанные с
особенностями строения глаза. Рассмотрите показатели, характеризующие световой поток.
Внимательно рассмотрите классификацию лучей светового потока, запомните типы
отражений (диффузное, зеркальное). Рассмотрите роль каждого члена в формулах
Ламберта и Фонга. Рассмотрите методы Фонга и Гуро для сглаживания освещенности
поверхностей. http://stratum.pstu.ac.ru/lectures/Kgrafic Лекция 22-25, [2, 377-399].
22. Прозрачность
Рассмотрите поправочные члены к формулам Ламберта и Фонга, имитирующие
прозрачность трехмерного предмета [2, 410-416].
23. Тени
Рассмотрите условия, при которых появляются тени, уясните роль теней в
повышении реалистичности изображения сцены как признака глубины [2, 416-427].
Научитесь строить тени в трехмерной сцене.
24. Фактура
Рассмотрите способы наложения плоского рисунка на поверхность, использующиеся
в компьютерной графике [2, 427-437]. Особое внимание обратите на математический прием
отображения одной поверхности на другую. Научитесь натягивать фактуры на трехмерные
объекты.
25. Модели цвета.
Уясните психофизиологические аспекты восприятия света и цвета, связанные с
особенностями строения глаза. Рассмотрите показатели, характеризующие световой поток.
Подробно рассмотрите две основные цветовые системы RGB и CMY. Научитесь
оперировать цветами в аддитивной и субтрактивной системах. Рассмотрите формулы и
график алгебры смешения цветов. Изучите строение диаграммы МКО [2, 458-476].
http://stratum.pstu.ac.ru/lectures/Kgrafic Лекция 26.
26. Компьютерная графика, геометрическое моделирование и решаемые ими
задачи.
11
Дайте определение компьютерной графики, перечислите задачи, решаемые данной
дисциплиной. Используя прочитанный материал, перечислите разделы компьютерной
графики, цель каждого из них. Сформулируйте цель компьютерной графики в целом.
Сформулируйте тенденции в развитии компьютерной графики. Постарайтесь
самостоятельно сформулировать данные положения, если затрудняетесь, прочитайте [2,
9-15]. Начертите в целом путь преобразований графических объектов, сцены в
компьютере, нарисуйте контур взаимодействия с человеком. Объясните механизм
интерактивности. Перечислите и классифицируйте оборудование для компьютерной
графики. Обобщите понятие графического устройства.
ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
(8 часов)
Лабораторные работы предназначены для уяснения студентом приемов
работы с двухмерной графикой. Лабораторные работы выполняются в лаборатории
кафедры АСУ под руководством преподавателя. Результат работы должен быть
предъявлен в конце занятия преподавателю. Для выполнения работы необходима тетрадь
для ведения рабочих записей и расчетов (рекомендуется в клетку), линейка, карандаш,
резинка, калькулятор.
Лабораторная работа 1.
Понятие о выводе графической информации и интерфейсе (2 часа).
Построение и использование алгоритма вывода линий на экран монитора.
Манипулирование линиями на экране устройством ввода (мышь). Написание и отладка
проекта создания и манипулирования линиями и объектами.
Задание. Используя графическую систему, установленную в лаборатории кафедры,
постройте в двухмерном пространстве графический объект, составленный из линий. Для
этого установите необходимое количество точек и линий их соединяющих. Соедините
переменных общих координат точек и линий, образовав искомую фигуру. Установите объект
интерактивного управления точками – концами линий. Установите объект открытия и
поддержания графического пространства. Запустите проект, предварительно записав его в
файл. Манипулируя мышью, управляйте объектом. Рассчитайте центр тяжести объекта,
передавая координаты его точек в отдельный модуль. Зная координаты центра тяжести,
12
выведите точку для его обозначения.
Лабораторная работа 2.
Построение графических примитивов и базовых операций манипулирования
ими (2 часа).
Создание двухмерных фигур из примитивов и управление ими с помощью системы
базовых графических операций. Комплексные преобразования графической информации.
Геометрическое моделирование.
Задание. Задайте координаты вершин четырехугольника. Рассчитайте матричным
способом новое положение вешин объекта при смещении, повороте, масштабировании.
Загрузите проект «Преобразования 2D». Повторите преобразования в автоматическом
режиме. Сравните результаты с ручным расчетом.
Лабораторная работа 3.
Построение активного графического интерфейса (2 часа).
Понятие активного объекта. Построение диалогового, интерактивного интерфейса.
Проектирование виртуальных кнопок для поддержки интерфейса. Организация ввода
параметров. Сохранение и чтение из файла. Набор двухмерной сцены.
Задание.
Создайте из 2-3 графических примитивов двухмерную сцену. Добавьте пространство
пульта для диалога. Нарисуйте пульт управления графическим объектом. Установите
необходимые элементы управления (кнопки, ползунки, поля ввода) и оформите надписи к
ним. Соедините элементы управления с программным модулем, реализующим управление, а
модуль с модулями, управляющими графическими примитивами. Запустите проект,
предварительно записав его в файл. Манипулируя мышью на пульте управления, измените
положения объектов, параметры их движения (скорость вращения, цвет, масштаб,
смещение).
Лабораторная работа 4.
Построение листовой графической системы и анимация объектов (2 часа).
Понятие анимации, гиперссылоки, влияния графических объектов. Проектирование
морфинга.
Задание. Рассмотрите проект «морфинг двухмерных объектов». Укажите начальное и
конечное положение фигуры для морфинга. Проведите анимацию для 10 шагов, 100 шагов.
Для этого установите соответствующий управляемый счетчик шагов. Проследите за
13
траекториями движения промежуточных точек при анимации.
Постройте листовую графическую систему, для этого соедините гиперссылками
проекты из лабораторных работ 1-4.
Лабораторная работа 5.
Построение графика трехмерной функции (2 часа).
Понятие трехмерного изображения.
Задание. Используя любой метод удаления невидимых линий, постройте график
функции заданной аналитически от двух координат. Отразите сетку координат.
Постройте интерфейс таким образом, чтобы можно было менять точку взгляда.
Добейтесь, чтобы можно было наблюдать не только пики функции, но и провалы, особенно
те, которые находятся ниже основания графика.
Лабораторная работа 6.
Построение фрактальных изображений (2 часа).
Понятие фракталы. Формирование реалистических изображений.
Задание. Используя фрактальный метод, постройте изображение двухмерного дерева.
Раскрасьте дерево, цвет отрисовки веток должен зависеть от номера рекурсии. Обеспечьте
управление глубиной вложенности фрактала. Обеспечьте управление углом ветвления,
вероятностью ветвления, вероятностью длины порождаемой ветви.
Вариант – нарисуйте пересеченную местность.
Лабораторная работа 7.
Построение полномерных динамических управляемых изображений (2 часа).
Понятие динамической управляемой картины.
Задание. Используя трехмерный редактор, создайте трехмерное изображение
некоторого технического устройства. Прочитайте изображение в Stratum-2000, постройте
модель движения его частей и интерфейс управления им, так чтобы пользователю в
результате манипуляций с ним был понятен его состав и принцип действия. Обеспечьте
синхронность работы частей устройства, логическую их связь. При необходимости
обеспечьте снятие частей, мешающих детальному рассмотрению.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ
14
Контрольная работа 1
«Способы представления и управление двухмерными графическими образами в
компьютерной графике»
Цель работы. Контрольная работа является самостоятельно выполняемым
заданием, предназначена проверки усвоения обучаемым основных математических
инструментов компьютерной графики.
1. Нарисуйте графический образ в виде каркасной двухмерной фигуры. В составе образа
должно быть не менее 25 вершин. Закодируйте его в матрице данных.
2. Проведите действия с информацией, представленной в матрице данных – вращение,
перемещение. Представьте расчет не менее четырех фаз движения.
3. Сгладьте контуры образа В-сплайном третьего порядка на любой одной из фаз движения.
В составе сплайна приведите не менее 10 точек.
4. Осуществите проецирование образа на экран 800*600 (операция масштабирования).
5. Оформите отчет. В отчете приведите промежуточные расчеты, приведите рисунки,
соответствующие каждому шагу расчета.
Пример.
Нарисуйте и закодируйте контур ракеты. В качестве фаз рассмотрите четыре
промежуточных положения при движении ее на пассивной траектории в атмосфере Земли
(вращение вокруг собственного центра масс и перемещение).
При расчете руководствуйтесь сведениями, приведенными в Приложении 2 «Краткие
теоретические сведения - Представление графической информации (ГИ) и базовые операции
с ней» настоящего документа.
Контрольная работа 2
«Построение графических трехмерных образов, компьютерных интерфейсов и
управление трехмерными объектами»
Контрольная работа предназначена для знакомства с основными техниками и
технологиями в работе с трехмерной графикой. Цель работы - осуществить декомпозицию
сложной технической системы (по выбору), спроектировать трехмерное статическое
изображение элементов системы, рассчитать траекторию движения элементов системы,
15
построить интерфейс системы управления, оформить отчет. Для выполнения работы студент
обязан освоить трехмерный и двухмерный графические редакторы, систему проектирования,
систему активной анимации, законы управления движением, графические языки
программирования и проектирования, систему оформления документов. При работе над
работой следует использовать рекомендуемую литературу.
Цель работы. Контрольная работа является самостоятельно выполняемым заданием,
предназначена для усвоения обучаемым современных графических технологий и
графических инструментов, требует разработки студентом целостного законченного проекта.
Выполнять работу надо в следующем порядке.
1. Согласовать с преподавателем объект для отображения.
2. Проанализировать техническую систему. Определить механизм ее действия.
Определить свойства системы, поведение, свойства и поведение составляющих
элементов. Определить разбиение на объекты. Определить группы объектов.
Определить рациональное размещение локальных систем координат.
3. Используя технологию трехмерного проектирования создать элементы, группы и
систему графических объектов выбранной технической системы. Рекомендуется
пакет 3DStudio. Произвести преобразование форматов при переходе из одного пакета
в другой. Перевести трехмерную сцену в пакет Stratum.
4. Спроектировать модель управления поведением, свойствами элементами графической
системы case-средствами пакета Stratum. Спроектировать модель системы в целом в
пакете Stratum. Произвести управляемую активную анимацию. Обеспечить
наглядность управлением проекциями и видимостью частей и системы в целом.
5. Спроектировать интерфейс системы управления графическим объектом. Оформить
систему управления. Спроектировать гиперссылочную систему помощи к системе
управления.
6. Произвести отладку системы в целом. Оформить документацию на интерфейс,
систему управления в твердой копии с использованием пакета MSWord. Оформить
документацию на языке HTML с использованием механизма гиперссылок.
Представить отчет и дискету с файлом программы, графических файлов и
документации.
Общие указания по выполнению контрольной работы 2
На первом этапе Вы должны выбрать самостоятельно некоторое техническое
устройство, которое хорошо себе представляете, с которым Вы часто имеете дело на работе
16
или дома. Можно воспользоваться энциклопедиями. Представьте, что Вам необходимо
объяснить коллеге принцип работы устройства. Мысленно разделите это устройство на
составные части (например, вал, шестерня, двигатель, кнопка, шнур и т.д.). Для наглядности
напишите список частей и как они связаны друг с другом, как действуют друг на друга
(рекомендуемое количество элементов 7 - 15).
Задача - разбиение системы на рациональное число связанных между собой
элементов.
1. Рациональность связана с компромиссом быстродействия и точности
представления объекта в модели. Например, демонстрируя принцип работы
ветряной мельницы, не имеет смысла собирать ее из бревен, так как принцип ее
действия от этих деталей не зависит. Но важны крыльчатка, валы, передача,
жернова, бункера, корпус, ветер.
2. Правильный набор объектов. Выделение архетипа. Например, изображение
должно соответствовать собирательному образу мельницы, то есть в ее составе
присутствуют только те элементы, без каждого из которых система перестает
существовать.
3. Правильность разбиения на сущности. Понимание объектного подхода в
композиции систем. Определение свойств системы через свойства элементов.
Например, объекты должны быть отделены друг от друга, чтобы нести свою
функцию независимо от других. Имеет смысл представлять валы и передачу
мельницы как отдельные элементы, с тем, чтобы была возможность в будущем
собрать новую мельницу в пределах архетипа.
4. Умение определить будущие связи элементов и, следовательно, вид элементов.
Предусмотреть возможность влияния одних элементов на другие, то есть будущие
переменные и их связи между собой. Например, имеет смысл вращать вал
мельницы, то есть предусмотреть переменные - скорость, направление, угол. Или,
рациональнее, угол поворота вала в единицу времени (такт), который принимает
положительные и отрицательные десятичные значения. Переменные будут
соединены с аналогичными переменными передачи, крыльчатки, жернова. Важно
расположить математическую ось вала вдоль него и с началом координат в торце
и в центре вращения.
5. Логическое построение демонстрации - минимально достаточное, передача
действия и причинно-следственных связей в устройстве. Например, изображение
сущностей должно укладываться в каскадную причинно-следственную схему -
сила и направление ветра преобразуется во вращение крыльев, далее во вращение
17
вала, передачи, вала, жерновов, накопление продукции.
6. Наглядность - изображение должно быть красочным, динамичным, понятным и
удерживать внимание. Например, надо наложить “деревянную” фактуру, детали
вращения передачи должны быть различимы, ветер передан изображением
(сущностью).
В совокупности эти принципы достаточно противоречивы, поэтому имеет смысл
поиск компромисса.
Далее в пакете 3Dstudio нарисуйте эти части по отдельности. Можете воспользоваться
любой литературой по данному пакету дополнительно к той, что дана в списке
рекомендуемой литературы. Не используйте свойство прозрачности граней, старайтесь
правильно выбирать оси и координаты объектов, не используйте слишком много точек на
гранях, не увлекайтесь несущественными деталями. Файл запишите в формате 3ds.
На втором этапе прочитайте подготовленный файл в пакете Stratum2000, используя
пульт трехмерной графики. Если изображение не появится (а оно может оказаться очень
маленьким или за спиной наблюдателя), манипулируйте положением камеры. Stratum2000
отображает Ваш объект в трехмерном пространстве, удаляя невидимые линии. Используя
инструменты Stratum2000 можно поворачивать объект, разбирать, вращать отдельные его
части, показывать и скрывать в целях наглядности части объекта.
Цель этого этапа построить проект, с помощью которого пользователь мог бы
управлять положением отдельных частей объекта, наглядно имитируя механизм его работы.
Выполните в пакете Stratum-2000 for Windows математическую анимацию модели
технического устройства.
Задача - добиться согласованной работы объектов, совместить математическую и
графическую модели.
Для этого надо:
1. выделить переменные объектов (список, описание);
2. разбить переменные на внешние воздействия (управляемые и неуправляемые
переменные - возмущения), переменные состояния, выходные переменные;
3. написать математическую модель работы устройства - законы
функционирования каждого из объектов системы, связи переменных
отдельных объектов;
4. подобрать начальные значения переменных, границы изменения;
проконтролировать значения выходных переменных и переменных состояния
на работающей модели;
18
5. нарисовать пульт управления и установить на него устройства управления
входными переменными (библиотека CONTROLS), собрать схему связи
математической модели с пультом управления, организовать окно управления
(библиотека UNIT);
6. собрать схему связи математической модели с системой управления
графическим объектом (библиотека GRAPH3D);
7. установить трехмерное пространство, проекцию, окно и графический объект
(библиотеки UNIT, GRAPH2D).
Проект должен работать в двух режимах – ручное управление от движков и кнопок,
нажимаемых пользователем, и демонстрационном – после нажатия кнопки «Демонстрация»
движение объекта становится автоматическим. При переходе с одного режима на другой не
должно быть рывков в положении и движении объекта. Хорошо будет, если движения
объекта будут выглядеть логично при одновременной работе двух режимов. В режиме
«Демонстрация» объект не должен выходить из поля видимости.
Обязательно посмотрите сначала примеры таких проектов. Прочтите документацию,
содержащуюся на сайте в разделе «Лабораторный практикум», а также в разделе «Помощь»
среды Stratum2000.
Наиболее частой ошибкой, допускаемой студентами, является отсутствие в проекте
имиджей для открытия графических пространств GraphicSpace, LGSpace, Proection3D или
отсутствие их связей по переменным Hspace, неправильные цифровые параметры,
отсутствие имен используемых объектов.
Теперь, применяя объекты (имиджи) открытия графического окна, ползунки,
операции трехмерного вращения, сдвига, масштабирования и устанавливая их из
стандартной библиотеки на поле проекта, соедините их между собой по переменным.
Установите нужные значения в переменные имиджей. Вам понадобится написать свой
имидж, который бы содержал закон изменения отдельных величин, иначе они не будут
вращаться и т.д..
Например, для управления скоростью вращения шестерни с именем Ш6, надо -
установить ползунок HSlider (или ему подобный), присоединить переменную Value имиджа
HSlider к переменной H в имидже закона вращения с текстом А:=А+Н, регулирующей
скорость вращения. Переменную А (угол поворота) соединить с переменной Angle имиджа
Rotate3d, отвечающего за поворот объекта. В имидже Rotate3d отметить имя вращаемого
объекта в переменной ObjName, имя объекта, относительно которого производится вращение
в переменной BaseName, а также отметить ось, относительно которой будет производиться
19
вращение (например, AxisX).
Результат контрольной работы.
1. Схема приложения. Нарисованные в виде графа элементы системы и связи
между ними, подписанные входные переменные, нарисованный пульт и
устройства управления. Оформление подписями и иконками,
комментариями, установленные начальные данные к переменным.
Оформлено окно пульта управления и окно проекции виртуального
пространства.
2. Работающая в автоматическом режиме схема (демонстрация работы
объекта).
3. Работающая в ручном режиме управления схема.
4. Система анимирована (ползунками или генераторами), при необходимости
имеются кнопки управления видимостью отдельных объектов.
Отличным считается результат, дающий дополнительно управлять объектом
(системой) из отдельного окна посредством набора команд из языка.
На третьем этапе работы оформляется отчет. Отчет должен четко фиксировать:
задание, описание устройства;
перечень элементов системы;
структуру сложных элементов (если они есть);
описание связей элементов системы;
описание законов движения объектов и их частей;
описание интерфейса, системы визуализации (связь образов с переменными
элементов).
Объем отчета не регламентируется. Рекомендуемый объем – 4-6 страниц с 2-3
иллюстрациями. Предпочтителен отчет, подготовленный компьютерным способом. При
подготовке отчета следует учитывать требования ГОСТ 7.32-2001 на техническую
документацию. Отчет может быть представлен также в форме HTML страниц.
Основное требование к отчету – ясность изложения, следование требованиям ГОСТ на
оформление. Смотри приложение 1. Основное требование к проекту – качество изображения,
правильность и логичность движений, наблюдаемость объекта, ясность принципа действия
имитируемого механизма, способность его к управлению со стороны пользователя.
Отчет должен содержать титульный лист, содержание, описание проекта с
необходимыми иллюстрациями и видеограммами, список литературы. К отчету прилагается
20