Разработка факультативного курса "Специфика использования компьютерного моделирования в педагогических программных средствах"

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Курсовая работа

Разработка факультативного курса «Специфика использования компьютерного моделирования в педагогических программных средствах»



Содержание

ВВЕДЕНИЕ

1.1 МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ ИГР

1.2 КОМПЬЮТЕРНЫЕ УЧЕБНЫЕ-ДЕЛОВЫЕ ИГРЫ И ИХ ПЕРСПЕКТИВЫ

1.3 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ ИГР В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ

1.4 УЛУЧШЕНИЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ РЕСУРСОВ С ПОМОЩЬЮ УЧЕБНО-ДЕЛОВЫХ ИГР

1.5 ОТЛИЧИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ ДЕЛОВЫХ ИГР

2.1ЭЛЕМЕНТЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ И ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

2.2 ЧТО ТАКОЕ ИНТЕРАКТИВНАЯ ГРАФИКА

2.3 1-2 ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ

2.4 ПОДГОТОВКА ИЗОБРАЖЕНИЙ ДЛЯ ВЫВОДА

2.5 ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ПОДГОТОВЛЕННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

2.6ГРАФИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Списки литературы

интерактивная графика компьютерная игра учеба



ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. В настоящее время компьютерное моделирование стало неотъемлемой частью системы образования. Одним из главных свойств компьютерного моделирования является программная тех поддержка в учебной среде. Система реализует философию «педагогики социального конструкционизма» и ориентирована на организацию взаимодействия между преподавателем и учениками, хотя подходит и для организации традиционных форм обучения, а также поддержки очного обучения. Курс уроков по данной системе компьютерного моделирования позволит ученикам ознакомиться с новым видом обучения, развить свой кругозор в сфере информационных технологий, овладев некоторыми знаниями программной технической поддержки .

Цель: описать специфику использования компьютерных моделей в педагогических средствах

Задачи: 1.объяснить необходимость компьютерной модели;

2.описать программную тех поддержку

Рассчитано на аудиторию старших классов и студентов



1.1 МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ ИГР

Компьютерная учебно-деловая игра - это адаптивная интеллектуальная система обучения, воссоздающая структуру и функциональные звенья профессиональной деятельности в игровой компьютерной модели.

Идея создания компьютерных учебно-деловых игр появилась как ответ на вызов модернизации электронного обучения. Обеспеченность учебных учреждений компьютерной, мультимедийной техникой, доступом в Интернет и образовательным порталом обуславливают потребность в развитии инновационных методик электронного обучения. Возникает необходимость модернизации методов обучения «новых учеников», феномена начала ХХ века, теперь уже становящихся обыденным явлением в педагогической науке. «Новые ученики» - это активные пользователи цифровых технологий и Интернета.

Использование традиционных компьютерных программ (текстовых редакторов, презентаций, флипчартов, табличных редакторов и т.д.), специальных вычислительных, графических, тестовых программ (MathCAD, AutoCAD, CorelDraw, PhotoShop и т.д.), электронных учебников в обучении не в полной мере выполняют функцию творческой созидательности электронного обучения. Мы считаем, что компьютерные учебно-деловые игры могли бы стать творчески созидательной компонентой электронного обучения на современном этапе.

1.2 КОМПЬЮТЕРНЫЕ УЧЕБНЫЕ-ДЕЛОВЫЕ ИГРЫ И ИХ ПЕРСПЕКТИВЫ

Возникает вполне закономерный вопрос. Во-первых каким образом могут быть связаны компьютерные учебно-деловые игры и перспективы развития информатизации обучения? Информатизация образования стремится к полному охвату учебного процесса, не говоря о выполнении функций обучения, то есть объяснения нового учебного материала, закрепления и контроля знаний. Объяснение нового материала происходит с помощью визуализации процессов через презентации, видеолекции, анимации и т.п. При закреплении учебного материала применяются компьютерные тренажеры, симуляторы, электронные учебники. При контроле знаний часто используется компьютерное тестирование. Но в выполнении различного рода упражнений сохраняется алгоритмичность действий в ущерб формированию творческих взглядов, спонтанности выводов и непредсказуемых ситуаций. В этом случае приключенческая, стратегическая компьютерная игра дает возможность увидеть результаты различных ходов, действий. Речь не идет о компьютерных играх с ограниченными и повторяющимися сценариями (тетрисы, стрелялки, вождение автомобиля и т.п.). Для учебных целей необходимо создавать компьютерные учебно-деловые игры, охватывающие творческий вид деятельности по различным дисциплинам специальностей. Для компьютерных учебно-деловых игр характерна интерактивность и творческий характер деятельности, мышления. Эти два преимущества могут быть успешно использованы в развитии e-learning.

1.3 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ ИГР В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ

Во-вторых, какая форма использования компьютерных учебно-деловых игр будет удобна в организации учебного процесса?

Компьютерные учебно-деловые игры характеризуются трехмерной реалистичностью моделируемой среды, сложностью сценариев, требующих огромных вычислительных запасов компьютеров. Они реализуются в Интернете онлайн, обратная связь и сетевой характер игры нуждается в поддержке мощных компьютерных ресурсов. Поэтому их удобнее размещать в учебных порталах вуза в качестве дополнения к электронным учебно-методическим комплексам дисциплин. Онлайн-форма удобна для контроля, а офлайн-форма наиболее удобна для упражнений.

1.4 УЛУЧШЕНИЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ РЕСУРСОВ С ПОМОЩЬЮ УЧЕБНО-ДЕЛОВЫХ ИГР

В-третьих, можно ли улучшить интерактивность электронных образовательных ресурсов с помощью компьютерных учебно-деловых игр?

Несомненно, можно. Компьютерные учебно-деловые игры должны рассматриваться как часть электронных образовательных ресурсов, улучшающих интерактивный характер диалога между обучаемым и обучающей средой, творческой созидательности в деятельности обучаемого. Рассмотрению педагогических условий интерактивности компьютерных учебно-деловые игр будет посвящена часть этого исследования.

К настоящему моменту имеется недостаточное число работ по дидактическим и деловым играм, в которых использование компьютера в игре рассматривается как способ контроля со стороны преподавателя, ведущего игру [2, с. 67-69]. Эта позиция дает неполную картину учебных действий обучаемого, необходимо выявление тех условий, при которых компьютеризованные деловые игры будут педагогически эффективными при решении нескольких дидактических задач.

1.5 ОТЛИЧИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ ДЕЛОВЫХ ИГР

В-четвертых, в чем отличие компьютерных учебно-деловых игр от деловых игр, дидактических игр и компьютерных игр?

Как известно, деловые игры начали использоваться с 1932 года и первоначально были направлены на моделирование производственных ситуаций [4, с. 7-21]. А в настоящее время в деловых играх могут быть использованы компьютеры. Но в них все же главной особенностью считается тренинговая деятельность, психологии общения, выполнение ролевых обязательств между участниками игры.

Дидактические игры - это игры, используемые в обучении определенным учебным навыкам и умениям.

Компьютерные игры - это развлекательные игры на компьютере, среди которых учебные игры пока еще составляют малую часть. Для компьютерных игр все еще характерны фрагментарность и ограниченность содержания игры. Анализ этих игр будет проводиться в тексте диссертации. Предлагаемые нами компьютерные учебно-деловые игры появляются на стыке учебных и компьютерных игр, реализуя более всего ролевые, приключенческие, стратегические действия по определенной предметной области.

Образовательный потенциал игр высокий. Об этом свидетельствуют многочисленные диссертационные исследования, передовой педагогический опыт.

Компьютерной учебно-деловой игре присущи общие особенности игры в целом, но при использовании ее как метода обучения в ней проявляется и своя определенная специфика. В отличие от других игр, в том числе и игр обучающего характера, компьютерные учебно-деловые игры обладают индивидуальными, присущими только ей чертами, без наличия которых игра не может считаться деловой.

Специфику компьютерной учебно-деловой игры определяют следующие положения:

· моделирование в компьютерной игре условий профессиональной деятельности, максимально приближенных к реальности;

· совместная деятельность участников игры, выполняющих предусмотренные условиями игры роли;

· саморазвитие ситуации в компьютерной игре, в результате которого выполнение заданий предшествующего этапа влияет на ход последующего;

· сжатый масштаб времени, позволяющий за считаные часы или даже минуты воспроизвести то, на что в реальных условиях могут уходить месяцы или годы;

· контроль игрового времени;

· *наличие специально разработанной системы оценки хода и результатов игры.

Применение компьютерных учебно-деловых игр для стимулирования результативности решения профессиональных задач в обучении бакалавров предусматривает выполнение определенных организационно-педагогических условий [3, с. 317-319]. Рассмотрение организационно-педагогических условий проектирования компьютерных учебно-деловых игр с организационной, методической и содержательной составляющими позволит целостно моделировать учебный процесс с использованием дидактических возможностей компьютерных учебных игр.

Создание сценариев компьютерных учебно-деловых игр основано на деятельностном подходе, как наиболее адаптированном для приключенческих, стратегических игр.

В разработке компьютерной учебно-деловой игры участвуют педагоги, психологи, дизайнеры и программисты. Есть исследования по созданию обучающих компьютерных игр, но они предназначены в основном для естественно-научных дисциплин [1; 5].

Проведение мастер-классов, семинаров для преподавателей, создание сетевых сообществ преподавателей способствует не только лучшему использованию компьютерных учебно-деловых игр, но и распространению передового педагогического опыта по электронному обучению.

Стимулирование развития информационной профессиональной компетентности бакалавров будет реализовано использованием разнообразных компьютерных игровых форм обучения.

По длительности проведения компьютерные учебно-деловые игры делятся на:

· занимающие часть урока,

· занимающие часть учебного курса,

· лонгитюдные (до целого учебного года).

Игры, занимающие часть урока, могут быть использованы в качестве закрепления нового материала и повторения пройденного материала. Эти игры направлены на формирование определенных навыков и проверку знаний.

По количеству участников игры делятся на индивидуальные и сетевые с участием нескольких игроков. Сетевые игры решают несколько педагогических задач: совместное решение игровых ситуаций, проведение групповых форм обучения, и сходны с социальными играми, которые в последнее время стали наиболее предпочтительными.

По времени проведения игры могут быть онлайн или офлайн. Хотя одну и ту же игру можно играть и онлайн, и офлайн, но они будут выполнять различные педагогические задачи. Когда игра проводится онлайн, необходимы временные ограничения, нацеленность игрока на быстрое выполнение игровых учебных задач. Офлайн-игра предусматривает знакомство с новым учебным материалом, в нем нет ограничения на время, на скорость. Главное - глубокая проработка теоретических подходов, проведение определенных учебных исследований.

По жанрам игровой технологии компьютерные учебные игры можно разделить на симуляторы, квесты, приключения, стратегии.

Под симуляторами мы подразумеваем тренажеры для летчиков, для водителей метро, одним словом, транспортные симуляторы. Затем экономические симуляторы, в которых студенты играют роли биржевых маклеров, бухгалтеров, инвесторов и так далее. Военные симуляторы схожи с играми типа «Уаргеймз» (военные игры).

Квесты связаны с поиском определенных предметов, явлений, веществ, поэтому весьма полезны именно для естественно-научных дисциплин, таких как химия, физика, биология, физиология и так далее.

Приключения успешно могут быть использованы в гуманитарных дисциплинах, таких как литература, история, педагогика, философия, лингвистика, психология. Дизайн интерфейса пользователя компьютерной учебно-деловой игры, музыкально-звуковые эффекты, анимация, оформление виртуального пространства (использование различных вариантов преобразования в зависимости от фактора времени действия/ бездействия игрока, правильности/ошибочности выборов ответа, перехода от 2D- к 3D-изображению) создается на основе указанных педагогических условий, эффективность которых была доказана во время констатирующего эксперимента. Эффективные пути использования компьютерных учебно-деловых игр в обучении можно представить в виде модели учебного процесса вуза (рис. 1).

Управление процессом обучения в обучающей компьютерной игре состоит из пяти этапов. Это:

· - разработка компьютерной игры;

· - выполнение сценария компьютером;

· - выполнение сценария игроком;

· - оценивание результатов действий игрока;

· - анализ обучения игрока.

Преподаватель готовит модель сценария компьютерной учебной игры. В этой модели могут быть представлены механизмы всех этапов, кроме выполнения действий игроком. Поэтому во многих компьютерных обучающих играх ставятся ограничения на выполнение игровых действий. Либо это будут выбор ответа, сравнение вариантов, расположение фрагментов по порядку, действия «вставить слово», построение схемы; либо работа с готовыми алгоритмами действий. Но еще не определены модели с произвольными действиями игроков. Условно-произвольные действия могут происходить в ограниченных игровых пространствах (например, игра в футбол, ContrStrike и т.д.).



рис.1 Модель учебного процесса при использовании компьютерных учебно-деловых игр

Стратегии оценивания результатов сложные, но они построены на принципе накопительных баллов. Анализ обучения позволит проводит корректировку учебного процесса с учетом требований к выпускнику вуза.

При создании компьютерных учебно-деловых игр необходимо выбрать наиболее подходящие стратегии оценивания в соответствии с педагогической технологией. Приведем критерии оценивания.

1. Свободное использование доступного игрового пространства либо решение задач по плану, алгоритмичность действий.

2. Выбор одной из позиций:

· учебный материал усваивается в линейном порядке,

· учебный материал усваивается в нелинейном порядке.

3. Использование подсказки:

· 1 раз для одного задания,

· 2-4 раза для одного задания,

· более 5 раз для одного задания.

4. Время работы с ознакомительным учебным материалом:

· ограниченное,

· неограниченное.

Мы выделяем следующие педагогические функции компьютерных учебно-деловых игр:

· формирование профессионально значимых навыков и умений,

· развитие творческой активности обучаемых,

· перспективность обучения,

· развитие коммуникативных навыков.

Создание сценариев компьютерных учебно-деловых игр основано на деятельностном подходе, как наиболее адаптированном для приключенческих, стратегических игр.

Проведение мастер-классов, семинаров для преподавателей, создание сетевых сообществ преподавателей способствует не только лучшему использованию компьютерных учебно-деловых игр, но и распространению передового педагогического опыта по электронному обучению.

Использование компьютерных учебно-деловых игр способствует формированию творческого мышления:

· постановкой проблемного вопроса в виде игровых ситуаций,

· закреплением учебного материала в виде выполнения квестов, приключенческих заданий компьютерной игры.

Таким образом, мы приходим к выводу, что в альтернативных сценариях компьютерной учебно-деловой игры должны учитываться механизмы взаимодействия обучаемого с системой игры, согласовывающейся с механизмами управления сценарием, выполнения сценария, оценки текущих результатов обучения и анализа результатов обучения.

Исследование позволяет расширить, и углубить научно-педагогические представления о возможностях, особенностях коммуникативной деятельности человека в условиях виртуальной среды Интернета и электронного обучения.



2.1 ЭЛЕМЕНТЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ И ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Геометрическое моделирование имеет своей целью описание элементов и явлений, обладающих геометрическими свойствами, поскольку наиболее естественным для них является графическое представление.

Геометрические модели нередко имеют иерархическую структуру, возникающую в процессе построения по принципу -снизу - вверх. Отдельные компоненты используются как строительные блоки для формирования объектов более высокого уровня, которые, в свою очередь, могут использоваться для объектов еще более высокого уровня. В общем случае геометрические модели подразделяются на двумерные и трехмерные.

При проектировании изображений реальных объектов, представленных в виде совокупности кривых линий и поверхностей, конструктор часто использует различные геометрические условия, например, прохождения через точки, касание к прямым или кривым линиям и т. д. Типичным примером двумерной геометрической модели является сложная кривая (обвод) представляющая собой кривую, составленную из нескольких кривых.

В двумерном геометрическом моделировании широко распространены задачи наинтерполяцию, аппроксимацию и сглаживание. Названные виды построений возникают тогда, когда задана последовательность точек, которые необходимо соединить плавной кривой.

Геометрический образ, заменяющий с определенной степенью точности исходный геометрический образ, называется аппроксимирующим, а процесс его нахождения - аппроксимацией. Если аппроксимирующий обвод проходит через узловые (заданные) точки дискретного обвода, то он называется интерполирующим.

Аналогичные операции осуществляются и при трехмерном геометрическом моделировании, т. е. интерполяция и аппроксимация поверхностей, заданных дискретно в виде регулярного или нерегулярного набора точек или линий. При этом применяется каркасно-параметрический метод представления поверхности, позволяющий при необходимости перезадавать каркас линий на поверхности, сгущать этот каркас и т. д.

Часто встречающейся задачей геометрического моделирования является дискретизация поверхности, т. е. разбивка ее на отсеки (куски) одинакового или различного вида. Это необходимо, например, при расчете поверхности оболочки, при ее реализации в сборном железобетоне из отдельных панелей.

Важным разделом трехмерного геометрического моделирования является формирование в ЭВМ изображения объекта. Эти изображения могут быть синтезированы в различных проекционно-изобразительных системах методами перспективных, аксонометрических или ортогональных проекций. К задачам геометрического моделирования относятся также преобразования объектов, анализ их видимости на экране дисплея, а также решение позиционных и метрических задач на изображаемых объектах. Для эффективного достижения поставленных целей в машинной графике широко используется математический аппарат матриц.

2.2 ЧТО ТАКОЕ ИНТЕРАКТИВНАЯ ГРАФИКА

Компьютер в машинной графике используется для описания изображений, их хранения, манипулирования ими, их вызова и визуализации, т.е. в основном: для пассивных операций. Компьютер выводит на экран предварительно подготовлен-ное изображение, и наблюдатель не может непосредственно управлять изображе-нием, прежде чем оно появится на экране. В каждом конкретном случае изображение может быть либо таким простым, как, например, графики простых функ-ций, либо столь сложным, как визуализация результатов моделирования процесса автоматического полета и посадки самолета или космического корабля. В зависимости от степени участия пользователя в различных формах взаимодействия с ЭВМ при построении изображения, компьютерная графика подразделяется на два основных класса: “пассивную” или пакетную и “активную” или интерактивную компьютерную графику.

Компьютерная графика для пакетной обработки представляет собой систему, в которой ЭВМ под управлением прикладных программных пакетов (ППП) обеспечивает формирование и вывод графического изображения на экран графического дисплея, графопостроителя, на координатограф, для получения фотокопии изображения и другие устройства, позволяющие получать графические документы. Примером пакетной графики могут служить различные скоростные печатающие устройства, кинокамеры и видеомагнитофоны, создающие высококачественные, цветные изображения реальных или воображаемых объектов. И модификация (редактирование) этого изображения на выходном устройстве осуществляется под действием самого пакета прикладных программ в режиме конструирования и его повторного запуска.

Подсистема интерактивной компьютерной графики определяется совокупностью аппаратурно-программных средств, обеспечивающих реализацию алгоритма решения проектной задачи, при уточнении ее формулировки. Интерактивнаякомпьютерная графика - это так же использование ЭВМ для подготовки и воспроизведения изображений, но при этом пользователь оперативно вносит изменения в изображение непосредственно в процессе его воспроизведения, т.е. предполагается возможность работы с графикой в режиме диалога в реальном масштабе времени. Интерактивная графика представляет собой важный раздел компьютерной графики, когда пользователь имеет возможность динамически управлять содержимым изображения, его формой, размером и цветом на поверхности дисплея с помощью интерактивных устройств управления.

В динамической интерактивной машинной графике компьютер используется для подготовки и визуализации графических данных. Однако интерактивная графика позволяет наблюдателю в реальном масштабе времени влиять на весь процесс представления изображения. Чтобы убедиться в серьезности ограничений, определяемых условиями работы в реальном времени, рассмотрим задачу вращения объемного изображения, состо-ящего из 1000 линий, со скоростью 15 град/с. Картинка из 1000 линий в большинстве слу-чаев представляется матрицей 1000 х 4 однородных координат конечных точек линий. Вращение, как правило, представляется путем умножения этой матрицы на матрицу преобразования размером 4 х 4. Для проведения такого матричного Умножения требуется выполнить 16 тыс. операций умножения, 12 тыс. операций сложения и 1 тыс. операций деления вещественных чисел. Если умножение осу-ществляется программно, то для того чтобы выполнить все операции вращения, может потребоваться значительное время. Обычный универсальный компьютер с процессором вещественной арифметики, способным выполнять операции умно-жения с быстродействием 3.6 мкс, сложения --за 2.6 мкс и деления со скоро-стью 5.2 мкс, может выполнить такое матричное умножение за 0.1 с. Посколь-ку для того, чтобы картинка на экране начала двигаться, она должна перери-совываться не менее 30 раз в секунду, то становится очевидным, что в случае с данным примером картинка не сможет непрерывно перемещаться по экрану. Даже если предположить, что изображение обновляется только 15 раз в секун-ду, т. е. при повороте на каждый градус, то и в этом случае программная ре-ализация не позволяет получить эффект непрерывного вращения и исключает возможность получения действительно реалистичных изображений. Существу-ет множество способов достижения реального интерактивного режима визуали-зации изображения: использование более мощного дополнительного компьютера или более тщательное программирование, уменьшающее время выполнения мат-ричного умножения. Однако в любом случае обязательно будет достигнут мо-мент, когда всякое дальнейшее улучшение станет уже невозможным. Уменьше-ние сложности изображения также не даст нужного эффекта, так как при этом может оказаться неприемлемым качество картинки. Однако операция матрич-ного умножения, необходимая для манипулирования изображением из нашего примера, для действительно очень сложных картинок может осуществляться на уровне микропрограмм или с помощью специализированных цифровых умножи-телей, применение которых всегда было наиболее эффективным и экономичным.

В интерактивной компьютерной графике как одной из разновидностей систем «человек-машина» учитываются психологические и физиологические возможности человека. В общем случае это сводится к выполнению требований: инженерной психологии к графическому дисплею как устройству отображения информации, воспринимаемой человеком, и терминалу как рабочему месту «человек-оператора»; к программному обеспечению ИКГ и языкам графического диалога, которые должны обеспечить преодоление ряда психологических барьеров, в частности исключить скуку и разочарование.

Средства ИГС обеспечивают пользователю определенный уровень комфорта в процессе освоения и эксплуатации системы. Одной из разновидностей таких средств является система подсказок, которая полезна для начинающих пользователей, но может оказать негативное воздействие на опытных пользователей. Поэтому ИГС имеют адаптивные сервисные средства, которые настраиваются на уровень подготовленности пользователя или предусматривают возможность обхода (отключения) соответствующих блоков сервисных средств самим пользователем.

Машинная графика -- это сложная и многосторонняя дисциплина. Поэтому для изучения ее необходимо разделить на более простые обозримые части, учитывая при этом, что конечным результатом машинной графики является изображение, которое, разумеется, можно использовать для самых различных целей: техни-ческого чертежа, деталировки в справочном руководстве, изображения архитек-турной конструкции, как одного из возможных вариантов, так и эскиза проекта, рекламной иллюстрации либо отдельного кадра из мультфильма. В машинной графике фундаментальным связующим звеном является изображение, следова-тельно, важно разобрать следующие вопросы:

· представление изображений в машинной графике;

· подготовка изображений для вывода;

· визуализация предварительно подготовленных изображений;

· взаимодействие с изображением.

В дальнейшем под термином «изображение» мы будем понимать множество линий, точек, текстов и т.п., выводимых на графическое устройство

2.3 1-2 ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Многие алгоритмы интерпретируют изображения как набор многоугольников или ребер, причем каждый многоугольник или ребро в свою очередь может быть представлен с помощью точек (вершин). Таким образом, точки явля-ются основными строительными блоками изображения. Не менее важны так-же и алгоритмы размещения таких точек. В качестве иллюстрации рассмот-рим единичный квадрат в первом квадранте координатной плоскости. Этот квадрат может быть представлен своим четырьмя вершинами (см. рис. ) P1(0,0), Р2(1,0), Р3(1,1), P4(0.1). Соответствующая алгоритмическая нота-ция может выглядеть следующим образом:

Последовательно соединить P1 P2 Рз Р4 Р1

Единичный квадрат можно также представить с помощью его четырех ре-бер Е1 = P1-Р2, Е2 = Р2Р3; Е3 = Р3Р4, E4 = P4P1- Здесь алгоритмической

нотацией служит 'Следующая запись:

Последовательно изобразить Е1 Е2 Е3 Е4

И наконец, для описания единичного квадрата в виде многоугольника можно использовать либо точки, либо ребра. Например, S1 -- Р1Р2Р3Р4Р1, или S1 -- Р1Р4Р3Р2Р1 или S1 = E1E2E2E1. В зависимости от размерности координатного пространства основные строительные блоки (точки) можно представить либо как пары, либо как тройки чисел. Таким образом, координаты (x1,y1) или {x1,y1,z1) определяли бы точку на плоскости или в пространстве. Две точки задавали бы отрезок или ребро, а совокупность из трех и более точек -- многоугольник. По-строение кривых осуществляется обычно путем их аппроксимации короткими от-резками.

Рис.2 Описание данных изображения

Символы представляются уже более сложным образом -- они образуются из совокупности различных кривых или определяются матрицей точек.

Однако в основе представления символов по-прежнему лежат совокупности отрезков, точек и соответствующие им алгоритмы. Если не надо создавать специальные шрифты или проектировать графические устройства, то пользователю совсем необязатель-но знать все детали описания символов текста, так как большинство графических устройств имеют встроенные аппаратные или программные генераторы символов.



2.4 ПОДГОТОВКА ИЗОБРАЖЕНИЙ ДЛЯ ВЫВОДА

В конечном счете изображение определяется точками и алгоритмом их вывода. Прежде чем информация об изображении будет использована для формирования картинки, она хранится в файле, называемом базой данных. Для представления очень сложных изображений нужны сложные базы данных, для которых предпо-лагается использование сложных алгоритмов организации доступа к ним. Данные или структуры данных в таких базах могут быть организованы в виде кольца, В-дерева, квадратичных структур и т. д. Сами базы данных могут содержать указатели, подструктуры и другую негеометрическую информацию. Однако многие конкретные реализации систем с машинной графи-кой предназначены для работы с простыми изображениями, для которых можно предложить простые структуры данных с простым способом доступа. Наиболее элементарной структурой данных, безусловно, является линейный список. Может показаться неожиданным, но оказалось, что с помощью этой структуры предста-вляются достаточно качественные изображения.

Точки -- основные строительные блоки графической базы данных, именно по-этому особый интерес представляют основные операции преобразования точек. Существуют три типа операций, в которых точки используются как графические примитивы:

во-первых, перемещение пера и курсора, след курсора (в дальнейшем просто курсор), невидимая точка;

во-вторых, изображение линии между двумя точками;

в третьих, вывод точки в заданном месте.

В общем случае местополо-жение точки можно описать двумя способами: с помощью абсолютных и отно-сительных (инкрементальных) координат. В системе относительных координат позиция точки определяется путем задания ее положения относительно предыду-щей точки. Все программное обеспечение машинной графики базируется на этих основных понятиях и операциях. Местоположения точки могут быть описаны с помощью вещественных (с пла-вающей точкой) или целых чисел. В случае применения целых чисел возникает множество проблем, связанных с ограниченной длиной слова компьютера. Для представления целых координат, как правило, используется полное машинное сло-во. Наибольшее целое число, занимающее полное машинное слово и необходимое для представления величин со знаком из положительного и отрицательного диа-пазонов, равно 2n-1 - 1, где n -- количество битов в слове. Для 16 битового слова это число равно 32 767. Для многих приложений этого бывает вполне достаточно, однако возникают серьезные проблемы, когда требуются большие числа, которые невозможно представить с помощью одного слова компьютера. Эту трудность можно преодолеть, например, воспользовавшись относительными координатами в случае, когда их величина не превышает 60000. При этом в абсолютной системе координат устанавливаются точки с координатами (30000,30000), а затем с по-мощью относительных координат (30000,30000) строится точка с координатами (60 000,60 000). Однако этот способ обладает значительным недостатком: попытка сохранить относительные координаты, превышающие максимально допустимую величину, вызывает переполнение. В большинстве компьютеров результатом це-лочисленного переполнения является генерация чисел с противоположным зна-ком и неверным абсолютным значением.

От этого недостатка можно избавиться с помощью однородных координат, что вызывает некоторые усложнения, уменьшение скорости выполнения и понижение качества разрешения изображения. Однако все эти недостатки оправдываются преимуществами, которые дают возможность представления больших чисел на компьютерах с ограниченной длиной слова.

В системе однородных координат n-мерное пространство представляется n + 1 измерением, т. е. трехмерные координаты, однозначно задаваемые тройкой (x, у, z), выражаются через четыре координаты (hx, hy1 hz, h), где h -- произволь-ный множитель. Если все координатное пространство в 16-битовом компьютере представляется числами меньше 32 767, то h будет равно 1, а координаты бу-дут представляться путем прямых преобразований. Однако если хотя бы одна из координат превышает число 32 767, например, х -- 60 000, то преимущества, ис-пользования однородны]^ координат становятся очевидны. В данном случае мы установили h = 1/2 и координаты точки теперь можно представить в 16-битовом компьютере как (30000, у/2, z/2, 1/2). Однако в этом случае неизбежно сни-жение разрешающей способности, так как, например, значения х = 60000 и 60001 теперь представляются одинаковой однородной координатой. Фактически разре-шение ухудшается для всех координат даже в том случае, если только одна из них превышает максимально допустимое для целых чисел значение.

2.5 ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ПОДГОТОВЛЕННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

Данные, используемые для подготовки рисунка, как правило, не совпадают с дан-ными, необходимыми для его визуализации (дисплейным файлом). В этом файле содержится некоторая часть, вид или отдельная сцена целого изображения, пред-ставленного в общей базе данных. Выводимое изображение обычно формируется путем поворота, переноса, масштабирования и вычисления различных проекций. Эти преобразования обычно выполняются с помощью матричных операций (4 х 4) с данными, представленными в однородных координатах. В случае, когда требуется последовательность преобразований, матрица каждого отдель-ного преобразования последовательно применяется к точкам рисунка. Однако если таких точек очень много, данный метод становится неэффективным. Гораздо удобнее другой способ, состоящий в использовании одной результирующей мат-рицы комбинированных преобразований,, полученной путем умножения матриц каждого отдельного .преобразования- Такая матричная операция называется конкатенацией. После этого вектор координат всех точек изображения умножается на матрицу комбинированного преобразования размером 4x4 для получения результирующих точек. Данный подход позволяет значительно сократить время проведения сложных матричных операций над множеством точек.

Удаление невидимых линий или поверхностей, закраска, определение прозрач-ности, текстуры или световые эффекты -- все эти операции могут быть выполне-ны еще до момента окончательной визуализации изображения. Если выводимое изображение определено не на всей базе данных, в ней необходимо выделить неко-торую часть, соответствующую этому изображению.

Рис.3 Двумерное отсечение

Данный процесс называется отсечением. Отсечения бывают дву- и трехмерные. В ряде случаев окно и объем отсечения могут иметь отверстия или быть неправильной формы. Стандартное отсечение по границам дву- или трехмерных областей часто реализуется аппаратно

С процессом визуализации изображений обычно связано два ключевых поня-тия: окно и поле зрения. Процесс вывода с использованием окон предусматривает извлечение части графических данных из базы путем их отсечения по границам окна. Программная реализация операций отсечения и вывода окна, как правило, требует значительного времени, что исключает возможность ее применения в ин-терактивных графических системах. С другой стороны, в сложных графических системах для этого используется специализированная аппаратура или микропро-граммные средства. Задача отсечения изображения включает выделение и отбра-сывание отрезков или их частей, лежащих вне окна. Отсеченные отрезки или их части не передаются на графическое устройство вывода.

На плоскости окно задается левым, правым, верхним и нижним ребрами огра-ничивающего прямоугольника. Координаты вершин ребер определяются в сис-теме координат пользователя или в мировой системе координат, т.е. именно

Рис.4 Трехмерная пирамида видимости

в той системе, в которой хранится вся информация из графической базы данных. Как правило, координаты геометрических примитивов запоминаются в виде ве-щественных чисел.

Процесс отсечения значительно упрощается в случае так называемых регу-лярных окон, ребра которых параллельны осям координат.. На рис, 1-3 показан процесс отсечения на плоскости. Линии удаляются, выводятся на экран полностью или частично в зависимости от их ме-стоположения относительно границ окна. В трехмерном пространстве регулярное окно или отсекающий объем представляет собой прямоугольный параллелепипед (брус) или, для перспективных видов, усеченную пирамиду (пирамиду видимо-сти). На рис. 1-4 показана типичная пирамида видимости; ближайшая к наблюда-телю грань помечена символом N, наиболее удаленная -- символом F, а стороны образованы гранями SL, SR, ST и SB.

Поле зрения -- это область на экране дисплея, предназначенная для размеще-ния попавшего в окно изображения. Регулярное поле зрения на плоскости зада-ется левым, правым, верхним и нижним ребрами ограничивающего прямоуголь-ника. Поле зрения может быть определено в реальных физических координа-тах устройства, часто задаваемых в виде целых чисел. Координаты поля зрения могут быть нормализованы по некоторому произвольному диапазону, например, 0 ? x ? 1 < !. 0< y ? 1 задаваться в виде вещественных чисел. Содержание одного окна может быть выведено в нескольких полях зрения одного и того же устройства (рис. 1-5), Сохранение пропорций окна и поля (полей) зрения поз-воляет избежать искажений. Отображение на поле зрения графических данных.попавших после отсечения в окно, предусматривает выполнение операций пере-носа и масштабирования (приложение А). Кроме графической информации, большинство изображений могут содержать алфавитно-цифровые и символические данные. Существуют два основных спосо-ба генерации символов: программный и аппаратный. Если при программной генерации символов используются линии, то они отсекаются обычным образом. Это бывает необходимо в случае, когда символы подвергаются операции отсечения, а затем операции преобразования.



Рис.5Несколько полей зрения для одного окна

Однако многие графические устройства имеют встроенные аппаратные генераторы символов, и в этом случае символы идентифи-цируются только своим кодом, а их изображение формируется непосредственно перед выводом на экран. Данная реализация намного эффективнее, но обладает меньшей гибкостью, чем программа ^генерация символов, так как не позволяет проводить Отсечение и выполнять общие преобразования, ограничивающиеся в этом случае поворотом и масштабированием.

При использовании аппаратного генератора управляющая программа графи-ческого устройства должна установить размер, ориентацию и«точку привязки сим-вола или строки текста. После этого в дисплейный файл заносятся коды символов, имеющих установленные характеристики. Затем запускается генератор текстов, который интерпретирует строку текста, задавая аппаратуре всю информацию, необходимую для изображения каждого символа. После этого символы текста пе-ресылаются на устройство вывода.

Основные направления компьютерной графики:

· иллюстративное - это направление можно понимать, расширенно, начиная с представления результатов эксперимента, растровых изображений, картин и кончая созданием рекламных роликов.

· развития - стремительно развивающаяся компьютерная графика должна обслуживать свои потребности, расширяя и совершенствуя их;

· исследования, в которых инструментарий компьютерной графики начинает играть роль во многом подобную той, которую в свое время сыграл микроскоп;

· вывод изображения на экран компьютера является неотъемлемым, но всего лишь первым шагом на пути становления машинной графики. Довольно стремительно пройдя иллюстративный отрезок пути своего развития, компьютерная графика сосредоточилась как бы на двух генеральных направлениях: придание изображению необходимой динамики и придание изображению необходимой реалистичности.

К основным достоинствам компьютерной графики относятся:

· наиболее естественные средства общения с ЭВМ;

· хорошо развитый двухмерный и трехмерный механизм распознавания образов позволяет очень быстро и эффективно воспринимать и обрабатывать различные виды данных. Как гласит старинная китайская пословица: "Одна картинка стоит 1000 слов";

· она позволяет значительно расширить полосу пропускания при общении человека с ЭВМ за счет использования разумного сочетания текста, статических и динамических изображений по сравнению со случаями, когда можно работать только с текстами. Это расширение существенно влияет на возможность понимать данные, выявлять тенденции и визуализировать существующие или воображаемые объекты при обработке;

· высокая точность, быстрота и аккуратность автоматизированного выполнения чертежно-конструкторских работ, возможность многократного воспроизведения изображений и их вариантов, получение динамически изменяющихся изображений машинной мультипликации.

И хотя компьютерная графика всего лишь инструмент, ее структура и методы основаны на комплексном использовании передовых достижений науки и техники. Широко используются достижения из области фундаментальных естественных наук (физики, химии, математики, биологии) и программирования. Это справедливо как для программных, так и аппаратных средств формирования и реализации изображения, поскольку компьютерная графика одно из бурно развивающихся направлений компьютерной индустрии.

2.6 ГРАФИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Более полное определение компьютерной графики связано с понятиеграфических систем.

Графическая система(ГС)-это совокупность технических, программных, языковых средств и методов связи пользователя с ЭВМ на уровне зрительных образов при решении задач различных классов. В системах автоматического проектирования используются системы двух типов: общего и специализированного назначения.

Графическая система общего применения ориентирована на реализацию процедур обработки графической информации различного назначения. В таких системах имеются средства для графиков, графических изображений, описания графических элементов разнообразной структуры, редактирования изображений. Основное назначение таких систем - представление необходимого сервиса для работы с графической информацией.

Важным классом графических систем общего назначения являются базовые графические системы (БГС),являющиеся стандартными и обеспечивающими независимость прикладных программных средств по отношению графическим устройствам.

Специализированные графические системы предназначены для реализации процессов обработки графической информации в некоторой специальной области. Так, система проектирования БИС ориентирована на графику проектирования плоских изображений, САПР в авиа- и судостроении - на геометрию аэродинамических поверхностей, в технологии деревообработки - используются линейные и аналитические поверхности. Пользователями таких систем являются инженеры проектировщики, конструкторы, технологи, не являющиеся специалистами в области программирования.

Согласно ГОСТ 23501.0-79 компьютерная графика рассматривается как обслуживающая подсистема САПР и состоит из методического, лингвистического, математического, программного, технического, информационного, организационного обеспечения.

Техническое обеспечение (ТО)- устройства вычислительной и организационной техники, средства передачи данных, измерительные и другие устройства или их сочетание.

Лингвистическое обеспечение - язык проектирования, терминология; сюда также относятся правила формализации естественного языка и методы сжатия и развертывания текстов.

Информационное обеспечение - документы, содержащие описание стандартных процедур, типовых проектных решений, типовых элементов, комплектующих изделий, материалов и других данных, а также файлы и блоки данных на машинных носителях с записью указанных документов.

Математическое обеспечение- совокупность математических методов, алгоритмов и моделей, необходимых для формирования и отображения графической информации и геометрического моделирования.

Программное обеспечение - совокупность программ, представленных в заданной форме с соответствующей программной документацией, предназначенной для организации работы технических средств, выполнения прикладных программ и связи с ними пользователей и проверки работоспособности всей системы в целом. Оно включает программы на машинных носителях, тексты программ и эксплуатационную документацию. Основу программного обеспечения компьютерной графики составляют пакеты прикладных программ (ППП ), представляющие собой набор программ, реализующих на ЭВМ инвариантные и объектно-ориентированные графические процедуры.

Методическое обеспечение- документы, в которых отражены состав, правила использования и эксплуатации средств ввода, анализа, синтеза текстовой и графической информации и ее визуализации.

Организационное обеспечение - положения, инструкции, приказы, штатные расписания, квалификационные требования и другие документы, регламентирующие организационную структуру подразделений и взаимодействия их с комплексом средств автоматизации проектирования. Сюда также входит форма представления результатов проектирования и порядок рассмотрения документов, необходимых для функционирования подсистем компьютерной графики.



Списки литературы

1.Катаев А.В. Программно-информационная поддержка процесса разработки обучающих компьютерных игр : дис. … канд. техн. наук. - Волгоград, 2012. - 147 с.

2.Карауылбаев С.К. Организационно-педагогические условия применения компьютерных учебно-деловых игр // Вестник Национальной академии наук Республики Казахстан. - 2013. - № 6. - С. 67 - 70.

3.Карауылбаев С.К. Педагогические модели оценивания в компьютерных учебных играх // Актуальные проблемы психологии и педагогики в современном мире : сборник научных трудов участников международной научно-практической конференции (Москва, РУДН, 24 - 26 апреля 2013 г.) / под общ. ред. Н.Б. Карабущенко. - М. : РУДН, 2013. - С. 317 - 319.

4.Панфилова А.П. Игровое моделирование в деятельности педагога : учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / А.П. Панфилова ; под общ. ред. В.А. Сластенина, И.А. Колесниковой. - М. : Издательский центр «Академия», 2006. - С. 7 - 21.

5.Рикун А.О. Обоснование применения симуляционного моделирования и компьютерных деловых игр в подготовке по военно-полевой хирургии: экспериментальное исследование : дис. ... канд. пед. наук. - СПб., 2011. - 146 с.

6.http://www.science-education.ru/116-12453

7.http://www.life-prog.ru/1_4096_geometricheskoe-modelirovanie-i-kompyuternaya-grafika.html

Размещено на Allbest.ru