РАЗРАБОТКА  КУРСА  ПО  КОМПЬЮТЕРНОЙ  ГРАФИКЕ  НА  ОСНОВЕ  БЕСПЛАТНО  РАСПРОСТРАНЯЕМОГО  ПРОГРАММНОГО  ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Сенник  Оксана  Николаевна

магистрант,  кафедра  математического  анализа  КемГУ,  г.  Кемерово

E-mail:  AKSUNYA.1990@YANDEX.ru

Даурцева  Наталья  Александровна

научный  руководитель,  канд.  физ.-мат.  наук,  доцент  КемГУ,  г.  Кемерово

Компьютерная  графика  —  это  область  информатики,  занимающаяся  проблемами  получения  различных  изображений  (рисунков,  чертежей,  мультипликаций)  на  компьютере.

Работа  с  компьютерной  графикой  —  одно  из  самых  популярных  направлений  использования  персонального  компьютера,  причем  занимаются  этой  работой  не  только  профессиональные  художники  и  дизайнеры.  Без  компьютерной  графики  не  обходится  ни  одна  современная  программа. 

Компьютерные  технологии  развиваются  достаточно  быстро.  И  в  наше  время  необходимо  понимание  основ  компьютерного  дизайна,  поскольку  приходится  подбирать  совместимые  форматы  изображений,  приспосабливаться  к  размерам  экрана  и  ограничениям,  касающимся  цвета.  К  основным  сферам  применения  технологий  компьютерной  графики  относятся: 

·     Графический  интерфейс  пользователя; 

·     Спецэффекты,  визуальные  эффекты  (VFX),  цифровая  кинематография; 

·     Цифровое  телевидение,  Всемирная  паутина,  видеоконференции; 

·     Цифровая  фотография  и  существенно  возросшие  возможности  по  обработке  фотографий; 

·     Цифровая  живопись; 

·     Визуализация  научных  и  деловых  данных; 

·     Компьютерные  игры,  системы  виртуальной  реальности  (например,  тренажёры  управления  самолётом); 

·     Системы  автоматизированного  проектирования; 

·     Компьютерная  томография; 

·     Компьютерная  графика  для  кино  и  телевидения; 

·     Лазерная  графика. 

Обычно  компьютерную  графику  разделяют  на  векторную  и  растровую,  хотя  обособляют  ещё  и  фрактальный  тип  представления  изображений.

Векторная  графика  представляет  изображение  как  набор  геометрических  примитивов.  Растровая  графика  всегда  оперирует  двумерным  массивом  (матрицей)  пикселей.  Основное  отличие  в  том,  что  изображение  в  векторном  формате  может  масштабироваться,  поворачиваться,  деформироваться,  без  особых  потерь,  и  имитация  трёхмерности  в  векторной  графике  проще,  чем  в  растровой.  Фрактал  —  геометрическая  фигура,  обладающая  свойством  самоподобия,  то  есть  составленная  из  нескольких  частей,  каждая  из  которых  подобна  всей  фигуре  в  целом.  Математической  основой  фрактальной  графики  является  фрактальная  геометрия.  Здесь  в  основу  метода  построения  изображений  положен  принцип  самоподобия  некоторых  фигур.  Поскольку  для  построения  изображений  используются  системы  итерируемых  функций,  освоить  принципы  фрактальной  графики  могут  лишь  студенты,  имеющие  базовые  математические  знания  по  алгебре,  геометрии  и  математическому  анализу.

С  развитием  глобальной  сети  Интернет,  необходимость  широкого  использования  графических  программных  средств  резко  возросла.  Большей  популярностью  пользуются  яркие,  красочные  страницы.  У  страницы,  оформленной  без  компьютерной  графики,  мало  шансов  привлечь  к  себе  массовое  внимание. 

Телевидение  тоже  не  обходится  без  этой  области.  Рекламные  ролики,  мультипликации,  спецэффекты  в  кино  —  все  это  продукты  деятельности  компьютерной  графики.

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.

Проанализировав  сложившееся  положение  в  области  компьютерной  графики,  и  соотнеся  все  это  с  педагогической  деятельностью,  была  поставлена  задача  создания  мультимедийных  учебных  материалов  по  компьютерной  графике,  которые  позволят  изучить  предмет,  в  том  числе  и  дистанционно.

Курс  компьютерной  графики  на  основе  бесплатно  распространяемого  программного  обеспечения  разработан  для  студентов  математических  и  компьютерных  специальностей  средне  профессиональных  и  высших  учебных  заведений,  где  преподается  компьютерная  графика.  Курс  рассчитан  на  18  часов  лекций  и  36  часов  лабораторных  работ. 

Проведение  курса  планируется  в  виде  лекций  и  практических  занятий.

Цели  курса:  Познакомить  студентов  с  основами  компьютерной  графики,  изучить  основные  ее  направления  и  области  применения,  а  также  познакомиться  с  математическими  основами  компьютерной  графики.  Познакомиться  с  графическими  пакетами  Blender,  3DS  Max  и  Maya  (доступны  бесплатные  версии  для  студентов),  IFS  Builder  3d  (распространяется  в  свободном  доступе),  и  открытой  графической  библиотекой  OpenGL.  Изучить  их  функциональные  особенности  и  возможности,  поработать  в  каждой  среде  и  научиться  применять  данные  программы  в  практической  деятельности.

Для  реализации  данного  курса  было  создано  электронное  пособие,  имеющее  следующую  структуру:

1.  Введение

2.  Лекции

1.  Организация  курса.  История  компьютерной  графики.  Свет  и  цвет.  Особенности  зрительного  восприятия  человека.  Цветовые  модели

2.  Основы  обработки  изображений

3.  Прямые,  кривые,  поверхности

4.  Геометрические  преобразования  на  плоскости  и  в  пространстве

5.  Open  GL

6.  Растеризация.  Модели  освещения.  Фонг.  Гуро

7.  Текстуры.  Удаление  невидимых  поверхностей.  Композиты

8.  Глобальное  освещение.  Излучательность.  Трассировка  лучей

9.  Фрактальная  графика

3.  Лабораторные  работы

1.  Blender

2.  3DS  Max

3.  IFS  Builder  3d

4.  Maya

5.  OpenGL

6.  Список  литературы

Пособие  оснащено  гиперссылками,  что  позволяет  пользователю  быстро  переходить  из  одной  части  учебника  в  другую,  а  также  открывать  презентации  и  просматривать  видеоматериалы.  Формат  учебника  позволяет  открывать  его  в  любом  веб-браузере.

Такое  содержание  лекций,  позволяет  студентам  изучить  основы  компьютерной  графики.  Познакомиться  с  историей  ее  возникновения.  Узнать,  что  представляют  цветовые  модели,  в  каких  областях  практической  деятельности  они  используются.  На  лекциях  студенты  встречаются  с  новыми  понятиями:  текстуры,  композиты,  фракталы.  Расширяются  их  представления  о  геометрических  преобразованиях  и  знания  в  области  геометрии.  Развивается  пространственное  воображение,  представление.

К  каждой  лекции  созданы  слайды,  которыми  пользуется  преподаватель  во  время  проведения  лекций.  Для  лабораторных  работ  взяты  пять  различных  графических  пакетов.  Курс  построен  так,  чтобы  после  изучения  некоторой  темы  на  лекции,  студенты  могли  сразу  проверить  это  на  практике.  Поработав  в  графическом  редакторе.

При  этом  на  ознакомление  с  пакетом  Blender,  отводится  8  часов.  Сюда  входит  знакомство  с  программой,  изучение  интерфейса  пользователя,  функциональных  возможностей,  работа  с  цветом,  текстурами,  встроенными  объектами.  Моделирование  реальных  объектов  средствами  Blender  и  создание  анимации.

Аналогично  проходит  знакомство  с  пакетом  3DS  Max  и  Maya  в  объеме  8  часов  каждое.

На  работу  с  редактором  IFS  Builder  3d  по  фрактальной  графике  отводится  4  часа.  За  это  время  студенты  знакомятся  с  параметрами  программы  ее  возможностями,  а  также  со  структурой  создаваемых  файлов.  Учатся  писать  коды  программной  реализации  для  построения  реальных  объектов  и  реализуют  это  на  практике.  А  также  создают  анимации.

И  знакомство  с  библиотекой  OpenGL  в  объеме  8  часов.  Здесь  студентам  предлагается  создать  3D  сцену,  подключив  библиотеку  OpenGL  и  используя  уже  имеющиеся  навыки  программирования  в  С++. 

К  каждой  теме  практических  занятий  разработаны  лабораторные  работы  на  15  вариантов,  где  студенты  проявляют  себя  и  показывают,  насколько  хорошо  ими  усвоен  материал.  Такое  количество  вариантов  не  допускает  повторения  заданий.  Здесь  им  предоставляется  возможность  побыть  скульпторами  и  дизайнерами.  Студенты  не  ограничены  в  своих  возможностях,  и  могут  добавить  свои  идеи  в  задания  лабораторной  работы.  Более  того,  к  каждой  лабораторной  работе  прилагается  демонстрационное  видео  с  комментариями,  в  котором  представлено  выполнение  типового  варианта  лабораторной  работы.  Видео  позволяет  студентам  еще  раз  увидеть  возможности  того  или  иного  графического  пакета,  а  также  понять,  что  им  предстоит  делать  в  своей  лабораторной  работе.

К  лабораторным  работам  прилагается  и  теоретическая  часть.  В  этой  части  есть  вся  необходимая  информация  о  графическом  пакете.  Таблицы,  в  которых  указаны  сочетания  горячих  клавиш  для  выполнения  команд.  Подробные  алгоритмы  действий  с  картинками.  И  большое  количество  примеров  по  моделирование  объектов.  Все  примеры  уникальны.

Такое  содержание  курса,  позволяет  студентам  не  только  знакомиться  с  материалом  в  университете,  но  и  прорабатывать  изученное  дома.  А  также  есть  возможность  дистанционного  обучения.  Студент  самостоятельно  изучает  лекции,  просматривает  видео  и  выполняет  лабораторные  работы.  В  конце  курса  предлагается  семестровая  работа.

Для  курса  компьютерной  графики  предусмотрена  100  бальная  система  оценивания.  Для  получения  зачета,  необходимо  набрать  не  менее  60  баллов.  Максимально  —  100  баллов.  При  этом  оценивается  посещаемость  лекций  и  практических  занятий,  выполнение  лабораторных  работ  и  сдача  семестровой  работы.  Также  есть  возможность  заработать  бонусы  за  оригинальность  работы  и  активное  участие  в  проведении  занятий.  Баллы  могут  быть  сняты  в  том  случае,  если  студент  не  сдает  работы  в  установленный  срок,  или  его  работа  является  копией  другого  варианта.

Данное  пособие  создано  в  среде  Microsoft  Office  Share  Point  Designer  2007,  для  создания  слайдов  использовалась  программа  Microsoft  Office  Power  Point,  а  для  создания  видео  —  UV  Screen  Camera.

Раньше  курс  компьютерной  графики  читался  на  всех  направлениях  для  всех  студентов  математического  факультета  КемГУ,  но  все  внимание  было  сосредоточено  на  работе  с  библиотекой  Open  GL.  Данный  курс  позволяет  изучить  программу  глубже  и  шире. 

Список  литературы:

1.Даурцева  Н.А.,  Практический  курс  фрактальной  геометрии:  Учебное  пособие,  Кемерово:  Кузбассвузиздат,  2008.  —  130  c.

2.Морозов  А.Д.,  Введение  в  теорию  фракталов,  М.-Ижевск:  Институт  компьютерных  исследований,  2004  г.

3.Петров  М.Н.,  Молочков  В.П.  Компьютерная  графика,  СПб.:  Питер,  2002. 

4.Порев  В.,  Компьютерная  графика,  СПб.:  БХВ-Петербург,  2002.