Электронный учебно-методический комплекс "Компьютерная графика" в курсе информатики

Освоение графических редакторов как актуальная проблема методики преподавания информатики. Электронный учебно-методический комплекс как средство изучения компьютерной графики. Эффективность внедрения ЭУМК "Компьютерная графика" в учебный процесс.

Рубрика Педагогика
Вид дипломная работа
Язык русский
Дата добавления 10.11.2011
Размер файла 975,6 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

  • Введение
  • Глава 1. Освоение графических редакторов как актуальная проблема методики преподавания информатики
  • 1.1 Необходимость изучения компьютерной графики в средней школе
  • 1.2 Инструментальные средства по типам и обоснование выбора
  • Выводы по первой главе
  • Глава 2. Электронный учебно-методический комплекс как средство изучения компьютерной графики в курсе информатики
  • 2.1 Особенности электронных изданий и требования к ним
  • 2.2 Авторская технология создания УМК "Компьютерная графика"
  • 2.3 Эффективность внедрения ЭУМК "Компьютерная графика" в учебный процесс
  • Вывод по второй главе
  • Заключение
  • Список литературы
  • Приложения

Введение

Актуальность темы. Современный этап развития общества характеризуется интенсивностью и глубиной информатизации всех его институтов. Существенную роль в этом процессе играет информатизация системы образования, которая осуществляет формирование и становление членов этого общества. Сегодня очевидно, что переход образования на качественно новый уровень, соответствующий одной из главных задач российского общества - воспроизводству конкурентоспособного кадрового потенциала, происходит не везде и не сразу, а только тогда, когда образовательное учреждение в качестве ядра концепции своего развития принимает процесс информатизации всего образовательного пространства и формирования информационной культуры.

Говоря о конкурентоспособном ученике в условиях информационного общества, все подчеркивают, что современный ученик должен уметь эффективно работать с информацией, создавать новую в различных доступных для восприятия формах и видах, значимую для других. Вырабатывать у себя тонкий информационный вкус: умение отделять полезное от бесполезного, более ценное от менее ценного, избегать недоброкачественной информации, неполной, недостоверной и устаревшей. При обучении большое значение имеют демонстрации на компьютере разнообразных продуктов компьютерной графики: красочных рисунков, схем, чертежей, диаграмм, образцов анимационной и трехмерной графики. Поэтому, умение работать с компьютерной графикой является неотъемлемой частью информационной грамотности любого человека. Это подтверждается практической востребованностью этого умения: во многих объявлениях о приеме на работу, содержащих требование уметь работать на персональном компьютере, предполагается умение работать не только с текстовыми документами, но и с графическими объектами. Данная ситуация привела к изменению социального заказа общества школе: необходим качественно новый подход к изучению темы "Компьютерная графика". Однако отведенное нормативными документами учебное время на освоение содержания темы "Компьютерная графика" недопустимо мало. Являясь элементом содержания большого раздела школьной информатики "Информационные технологии", компьютерная графика представлена в основном простейшими программными средствами обработки объектов растровой графики. Большое многообразие профессиональных программных средств обработки объектов растровой и векторной графики ставит перед учителем сложные задачи, связанные в первую очередь с необходимостью обоснованного выбора конкретного программного средства, а также с разработкой методики обучения растровой графике. Существующие учебные пособия либо не затрагивают данное содержание совсем, либо предлагают простейший материал, не позволяющий сформировать у учащихся целостного представления о технологии обработки объектов растровой и векторной графики. Здесь на смену к традиционным урокам могут прийти мультимедиа технологии, которые позволяют повысить интерес учащихся к обучению, тем самым поднять качество их знаний. Когнитивный процесс с использованием современных компьютерных технологий неуклонно становится в передовых учебных заведениях новым образовательным стандартом. Внедрение в учебный процесс компьютерных обучающе-контролирующих систем, обладающих в силу своей интерактивности мощными возможностями ветвления процесса познания и позволяющих обучаемому субъекту прямо включиться в интересующую его тему - это один из наиболее действенных способов повышения эффективности обучения.

Одной из эффективных компьютерных дидактических программ является учебно-методический комплекс, который разрабатываются на основе мультимедиа-технологий.

Мультимедийные технологии предоставляют новые возможности создания электронных изданий в виде виртуальной реальности в условиях интерактивного режима взаимодействия пользователя с программно-информационной средой. При этом пользователь может выступать не только в качестве пассивного читателя или наблюдателя, но и принимать активное участие в разворачивающихся событиях. Этот режим взаимодействия с электронным изданием распространяется на многие области: всевозможные игры; моделирование различных процессов в условном масштабе времени; создание, обработка и воспроизведение динамических изображений в реальном масштабе времени; применение двух - и трехмерной анимации, видео и звука [5].

Анализируя рынок образовательных услуг и актуальность изучения компьютерной графики мы пришли к выводу, что тема "Электронный учебно-методический комплекс "Компьютерная графика" в курсе информатики" является актуальной для выпускной квалификационной работы.

Степень разработанности темы. Психолого-педагогические аспекты формирования навыков работы с графической информацией и их применения в образовании разрабатывались как отечественными (Л.А. Залогова, Л.И. Стрелкова, К.Ю. Поляков), так и зарубежными (A. M. Тайц, В. Рейнбоу, К. Айсманн) учеными, методистами, учителями-предметниками.

Целью данной работы является изучение возможности использования электронного учебно-методического комплекса "Компьютерная графика" в курсе информатики в процессе изучения информатики в средней школе.

Для достижения цели работы определились следующие задачи:

проанализировать современное состояние изучения компьютерной графики в средней школе;

– выявить наиболее эффективные инструментальные средства изучения компьютерной графики;

– изучить теоретическую базу построения электронного учебно-методического комплекса;

– разработать электронный учебно-методический комплекс и внедрить его в учебный процесс.

Объект и предмет работы. Объект - процесс обучения компьютерной графике в курсе информатики в средней школе. Предмет работы - электронный учебно-методический комплекс как средство изучения компьютерной графики.

Методы исследования. В ходе выполнения работы применялись различные методы исследования: анализ, синтез и системный подход к исследованию объектов, процессов и явлений.

Эмпирические источники - результаты собственного исследования проводившегося на 4 и 5 курсах в период учебной и педагогической практик на базе школы № 10 и школы № 22 г. Нижнекамска.

Апробация результатов исследования. Результаты исследования были представлены на Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука и молодежь в начале нового столетия" 12-13 апреля 2008 г. в БГТУ им. Шухова, г. Губкин, Белгородская область (заочное участие), межвузовской студенческой конференции "Актуальность проблемы современного Российского общества роль образования в их разрешении" 14 апреля 2008 г. в НМИ, г. Нижнекамск (заочное участие).

Научная и практическая ценность работы. Разработанный электронный учебно-методический комплекс, можно порекомендовать учителям-предметникам для изучения раздела "Компьютерная графика". ЭУМК поможет при знакомстве с теоретическими основами компьютерной графики и при обучении простейшим приемам создания, коррекции и оптимизации графических изображений.

Положения, выносимые на защиту

1. Изучению раздела "Компьютерная графика" в курсе информатики необходимо уделить большое внимание, так как применение компьютерной графики способствует развитию таких важных для специалиста любой деятельности качеств, как интуиция, творческое образное мышление, необходимых для самореализации личности в познании, труде, научной, художественной и других видах деятельности.

2. Применение ЭУМК в учебном процессе повышает качество обучения.

Структура работы. Выпускная квалификационная работа содержит введение, две главы, заключение, список литературы и приложения.

Глава 1. Освоение графических редакторов как актуальная проблема методики преподавания информатики

1.1 Необходимость изучения компьютерной графики в средней школе

Известный российский педагог Б.С. Гершунский в своей работе "Философия образования для XXI века" подчеркнул необходимость исследования "путей повышения эффективности педагогического процесса на основе его принципиальной переориентации: от преимущественно исполнительной, репродуктивной деятельности обучающихся - к преобладанию творческого, поискового начала на всех этапах учебного процесса; от жесткой унификации, единообразия целей, содержания, методов, средств и организационных форм воспитания, обучения и развития - к индивидуализации и дифференциации учебно-познавательной деятельности обучающихся; от моноидеологизации всех компонентов образовательного процесса - к идеологическому плюрализму, свободе выбора жизненной позиции, исходных принципов миропонимания и веры, духовного становления и развития; от систематического дисбаланса технократических и гуманитарных ориентиров и приоритетов - к гармонии природосообразной образовательной и учебно-познавательной взаимодеятельности педагогов и обучающихся".

Другими словами, общество информационных технологий, постиндустриальное общество, в отличие от индустриального общества конца XIX - середины XX века, в гораздо большей степени заинтересовано в том, чтобы граждане были способны самостоятельно, активно действовать, принимать решения, гибко адаптироваться к изменяющимся условиям жизни [3].

На мой взгляд, компьютер, телекоммуникационные и сетевые средства существенно изменяют способы освоения и усвоения информации, открывают новые возможности для интеграции различных действий, тем самым способствуют достижению социально значимых и актуальных в современный период развития общества целей обучения.

Образование является составной частью социальной сферы общества, а потому основные проблемы, пути и этапы информатизации для образования в основном совпадают с общими положениями информатизации общества в целом.

В программе информатизации образования особое место занимает подпрограмма разработки и внедрения информационных технологий в обучение.

Применительно к учебному процессу и к научным исследованиям основополагающее значение имеют новые информационные технологии, которые имеют предметом и результатом труда информацию, а орудием труда ПК.

Работа с компьютерной графикой - одно из самых популярных направлений использования персонального компьютера, причем занимаются этой работой не только профессиональные художники и дизайнеры. На любом предприятии время от времени возникает необходимость в подаче рекламных объявлений в газеты и журналы или в выпуске рекламной листовки или буклета.

"Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать", - гласит народная пословица. Применение графики не только увеличивает скорость восприятия информации учащимися и повышает уровень ее понимания, - считает автор статьи, но и способствует развитию таких важных для специалиста любой деятельности качеств, как интуиция, творческое образное мышление, необходимых для самореализации личности в познании, труде, научной, художественной и других видах деятельности [3].

Без компьютерной графики не обходится ни одна современная мультимедийная программа. Работа над графикой занимает до 90 % рабочего времени программистских коллективов, выпускающих программы массового применения. Основные трудозатраты в работе редакций и издательств тоже составляют художественные и оформительские работы с графическими программами.

Необходимость широкого использования графических программных средств стала особенно ощутимой с развитием Интернета и, в первую очередь, благодаря службе World Wide Web, связавшей в единую "паутину" миллионы отдельных "домашних страниц".

Потребность в разработке привлекательных Web-страниц во много раз превышает возможности художников и дизайнеров. В связи с этим современные графические средства разрабатываются с таким расчетом, чтобы не только дать удобные инструменты профессиональным художникам и дизайнерам, но и предоставить возможность для продуктивной работы и тем, кто не имеет необходимых профессиональных навыков и врожденных способностей к художественному творчеству. Области 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 [17].

Учитывая выше сказанное, считаем актуальным на сегодня преподавание курса информационных технологий в средней школе по направлению "Компьютерная графика".

Графические изображения (на камне, холсте, бумаге, металле и других средствах отображения информации) давно используются в обучении. Стремление человека выразить мысль, передать идею в форме графического изображения свойственно ему древних времен. Благодаря современным средствам создания компьютерной графики перенести графику на экран компьютера теперь могут не только профессиональные художники, дизайнеры, специалисты информационных технологий, но и неискушенные большим опытом работы на ПК, педагогические работники. Хотя, конечно, для этого надо приложить определенные усилия, настойчивость и терпение при освоении программных средств (графических редакторов).

Дело в том, что применение графики в учебных компьютерных системах не только увеличивает скорость передачи информации учащимся и повышает уровень ее понимания, но и способствует развитию таких важных для специалиста любой отрасли качеств, как интуиция, профессиональное "чутье", образное мышление.

Так, воздействие интерактивной компьютерной графики на интуитивное, образное мышление привело к возникновению нового направления в проблематике искусственного интеллекта, названного когнитивной (т.е. способствующей познанию) компьютерной графикой.

Область информатики, занимающаяся методами создания и редактирования изображений с помощью компьютеров, называют компьютерной графикой.

Люди самых разных профессий применяют компьютерную графику в своей работе. Это - исследователи в различных научных и прикладных областях, художники, конструкторы, специалисты по компьютерной верстке, дизайнеры, разработчики рекламной продукции, создатели Web-страниц, авторы мультимедиа-презентаций, медики, модельеры тканей и одежды, фотографы, специалисты в области теле- и видеомонтажа и др.

Как правило, изображения на экране компьютера создаются с помощью графических программ. Это растровые и векторные редакторы, программы создания и обработки трехмерных объектов, системы автоматизации проектирования, настольные издательские системы и др.

Основное внимание в курсе "Компьютерная графика" уделяется созданию иллюстраций и редактированию изображений, т.е. векторным и растровым программам. Создание же трехмерных изображений на экране компьютера - достаточно сложная задача, и ее рассмотрению нужно посвятить отдельный курс. Другие области компьютерной графики, несомненно, представляют большой интерес, однако они требуют определенной профессиональной специализации. К примеру, система автоматизации проектирования AutoCAD используется профессиональными архитекторами для проектирования зданий и планировки городов [17].

Компьютерная графика в начальный период своего возникновения была далеко не столь эффектной, какой она стала в настоящие дни. В те годы компьютеры находились на ранней стадии развития и были способны воспроизводить только самые простые контуры (линии). Идея компьютерной графики не сразу была подхвачена, но ее возможности быстро росли, и постепенно она стала занимать одну из важнейших позиций в информационных технологиях.

Первой официально признанной попыткой использования дисплея для вывода изображения из ЭВМ явилось создание в Массачусетском технологическом университете машины Whirlwind-I в 1950 г. Таким образом, возникновение компьютерной графики можно отнести к 1950-м годам. Сам же термин "компьютерная графика" придумал в 1960 г. сотрудник компании Boeing У. Феттер.

Первое реальное применение компьютерной графики связывают с именем Дж. Уитни. Он занимался кинопроизводством в 50-60-х годах и впервые использовал компьютер для создания титров к кинофильму.

Следующим шагом в своем развитии компьютерная графика обязана Айвэну Сазерленду, который в 1961 г., еще будучи студентом, создал программу рисования, названную им Sketchpad (альбом для рисования). Программа использовала световое перо для рисования простейших фигур на экране. Полученные картинки можно было сохранять и восстанавливать. В этой программе был расширен круг основных графических примитивов, в частности, помимо линий и точек был введен прямоугольник, который задавался своими размерами и расположением.

Первоначально компьютерная графика была векторной, т.е. изображение формировалось из тонких линий. Эта особенность была связана с технической реализацией компьютерных дисплеев. В дальнейшем более широкое применение получила растровая графика, основанная на представлении изображения на экране в виде матрицы однородных элементов (пикселей).

В том же 1961 г. студент Стив Рассел создал первую компьютерную видеоигру Spacewar ("Звездная война"), а научный сотрудник Bell Labs Эдвард Зэджек создал анимацию "Simulation of a two-giro gravity control system".

В связи с успехами в области компьютерной графики крупные корпорации начали проявлять к ней интерес, что в свою очередь стимулировало прогресс в области ее технической поддержки.

Университет штата Юта становится центром исследований в области компьютерной графики благодаря Д. Эвансу и А. Сазерленду, которые в это время были самыми заметными фигурами в этой области. Позднее их круг стал быстро расширяться. Учеником Сазерленда стал Э. Кэтмул, будущий создатель алгоритма удаления невидимых поверхностей с использованием Z-буфера (1978). Здесь же работали Дж. Варнок, автор алгоритма удаления невидимых граней на основе разбиения области (1969) и основатель Adobe System (1982), Дж. Кларк, будущий основатель компании Silicon Graphics (1982). Все эти исследователи очень сильно продвинули алгоритмическую сторону компьютерной графики.

В том же 1971 г. Гольдштейн и Нагель впервые реализовали метод трассировки лучей с использованием логических операций для формирования трехмерных изображений.

В 1970-е годы произошел резкий скачок в развитии вычислительной техники благодаря изобретению микропроцессора, в результате чего началась миниатюризация компьютеров и быстрый рост их производительности. И в это же время начинает интенсивно развиваться индустрия компьютерных игр. Одновременно компьютерная графика начинает широко использоваться на телевидении и в киноиндустрии. Дж. Лукас создает отделение компьютерной графики на Lucasfilm.

В 1977 г. появляется новый журнал "Computer Graphics World".

В середине 1970-х годов графика продолжает развиваться в сторону все большей реалистичности изображений. Э. Кэтмул в 1974 г. создает первые алгоритмы текстурирования криволинейных поверхностей. В 1975 г. появляется упомянутый ранее метод закрашивания Фонга. В 1977 г. Дж. Блин предлагает алгоритмы реалистического изображения шероховатых поверхностей (микрорельефов); Ф. Кроу разрабатывает методы устранения ступенчатого эффекта при изображении контуров (антиэлайзинг). Дж. Брезенхем создает эффективные алгоритмы построения растровых образов отрезков, окружностей и эллипсов. Уровень развития вычислительной техники к этому времени уже позволил использовать "жадные" алгоритмы, требующие больших объемов памяти, и в 1978 г. Кэтмул предлагает метод Z-буфера, в котором используется область памяти для хранения информации о "глубине" каждого пикселя экранного изображения. В этом же году Сайрус и Бэк развивают алгоритмы клиппирования (отсечения) линий. А в 1979 г. Кэй и Гринберг впервые реализуют изображение полупрозрачной поверхности.

В 1980 г.Т. Уиттед разрабатывает общие принципы трассировки лучей, включающие отражение, преломление, затенение и методы антиэлайзинга. В 1984 г. группой исследователей (Горэл, Торрэнс, Гринберг и др.) была предложена модель излучательности, одновременно развиваются методы прямоугольного клиппирования областей.

В 1980-е годы появляется целый ряд компаний, занимающихся прикладными разработками в области компьютерной графики. В 1982 г. Дж. Кларк создает Silicon Graphics, тогда же возникает Ray Tracing Corporation, Adobe System, в 1986 г. компания Pixar отпочковывается от Lukasfilm.

В эти годы компьютерная графика уже прочно внедряется в киноиндустрию, развиваются приложения к инженерным дисциплинам. В 1990-е годы в связи с возникновением сети Internet у компьютерной графики появляется еще одна сфера приложения.

информатика компьютерная графика курс

Здесь перечислены далеко не все серьезные шаги на пути развития графики, но более подробное знакомство с ее историей требует достаточно хорошего представления о теории и алгоритмах этой дисциплины, поэтому мы ограничиваемся лишь кратким обзором. Нетрудно заметить, что приоритет в развитии данного направления в информационных технологиях достаточно прочно удерживают американские исследователи. Но и в отечественной науке тоже были свои разработки, среди которых можно назвать ряд технических реализаций дисплеев, выполненных в разные годы:

1968, ВЦ АН СССР, машина БЭСМ-6, вероятно, первый отечественный растровый дисплей с видеопамятью на магнитном барабане;

1972, Институт автоматики и электрометрии (ИАиЭ), векторный дисплей "Символ";

1973, ИАиЭ, векторный дисплей "Дельта";

1977, ИАиЭ, векторный дисплей ЭПГ-400;

1982, Киев, НИИ периферийного оборудования, векторный дисплей СМ-7316, 4096 символов, разрешение 2048х2048;

1979-1984, Институт прикладной физики, серия растровых цветных полутоновых дисплеев "Гамма". Последние дисплеи данной серии имели таблицу цветности, поддерживали окна, плавное масштабирование.

Таким образом, в процессе развития компьютерной графики можно выделить несколько этапов.

В 1960-1970-е годы она формировалась как научная дисциплина. В это время разрабатывались 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.

В 1980-е графика развивается более как прикладная дисциплина. Разрабатываются методы ее применения в самых различных областях человеческой деятельности.

В 1990-е годы методы компьютерной графики становятся основным средством организации диалога "человек-компьютер" и остаются таковыми по настоящее время [17].

Применение компьютерной графики

Существует несколько областей применения компьютерной графики:

1. Художественная графика.

При работе с художественной графикой, включая компьютерную графику, необходимо знать следующие понятия.

Композиция - строение, соотношение и взаимное расположение частей, сосредоточие идейно-творческого начала, позволяющего автору произведения искусства целенаправленно организовывать главное и второстепенное и добиваться максимальной выразительности содержания и формы в их образном единстве.

Законы композиции:

1. Закон цельности: во-первых, наличие конструктивной идеи, объединяющей в единое целое все компоненты произведения; во-вторых, связь и взаимная согласованность всех элементов композиции; в-третьих, неповторимость элементов композиции;

2. Закон контрастов: контраст света и тени определяет форму предметов; контрасты величин, построения сюжета определяют композицию.

Правила композиции:

1. Передача ритма: ритм в удачной композиции одновременно расчленяет компоненты произведения и объединяет их;

2. Композиционный центр: выделяется объемом, освещенностью и другими средствами, действующими в соответствии с основными законами композиции.

Мера - характеризует общие принципы строения, целостность предмета, лежит в основе ритма, гармонии, ансамбля в архитектуре.

Симметрия - одинаковость в расположении частей чего-нибудь по противоположным сторонам от точки, прямой или плоскости. Симметрия в композиции создается уравновешенностью ее частей по массам, тону, цвету и форме. Симметрия (геометрическая) - свойство геометрических фигур при котором каждая пара соответственных точек лежит на одном перпендикуляре к данной плоскости по разные стороны и на одинаковом расстоянии от нее.

Пропорция - определенное соотношение частей между собой, соразмерность.

Ритм - равномерное чередование каких-нибудь элементов.

Гармония - соразмерность частей, слияние различных компонентов объекта в единое органичное целое. В истории эстетики гармония - существенная характеристика прекрасного.

Перспектива - искусство изображать на плоскости трехмерное пространство в соответствии с тем кажущимся изменением величины, очертаний, четкости предметов, которое обусловлено степенью отдаленности их от точки наблюдения.

При моделировании графических объектов на экране дисплея используют разные методы и способы представления изображений. Можно выделить два принципа моделирования - случайный и детерминированный. На их основе строятся технологии в изобразительной графике, в которой условно можно выделить три направления: художественное, иллюстративное и демонстрационное.

Объектами художественной графики выступают различные узоры, шрифты и другие изображения. При работе с изображениями широко используют простые мотивы и разнообразный геометрический материал. В частности, простые геометрические фигуры в различных сочетаниях и способах размещения (вложения, вращения, симметрии) используются в "живых картинках" для получения муарового эффекта. Удачное сочетание случайного и упорядоченного в любой пропорции с технологиями расположения графических объектов позволяет создавать художественный дизайн.

2. Деловая графика.

Одним из первых приложений компьютерной графики стало отображение данных экономических расчетов.

Графические представления расчетных и статистических данных удобно представлять в виде схем, диаграмм, гистограмм, и графиков. Различают следующие их виды:

Гистограмма - группа столбцов, пропорциональных по высоте определенным числовым значениям;

Круговая диаграмма - секторы круга, углы которых пропорциональны элементам данных;

Линейный график - отображение исходных величин в виде точек, соединенных отрезками прямых линий;

Временная диаграмма - последовательность операций или процессов определенной длительности (измерение динамических процессов);

Структурная схема - представление сложных объектов в виде дерева или графа;

Круговая гистограмма - представление относительных величин объектов, которым на изображении сопоставляются размеры и расположение кругов в прямоугольной системе координат.

Из числа средств прикладного программного обеспечения общего назначения графическое представление данных лучше всего развито в электронных таблицах и в СУБД.

Одним из первых практических применений машинной графики было автоматическое построение графиков функций в различных системах координат.

3. Инженерная графика.

Компьютеризацию чертежных и конструкторских работ проводят давно и в настоящее время используют различные системы автоматизации проектных работ (САПР). Аббревиатуру САПР впервые использовал основоположник этого научного направления Айвен Сазерленд в своих лекциях, прочитанных в Массачусетском технологическом институте в начале 60-х годов. Фактически инженеры применяли компьютеры для решения сложных задач проектирования еще в эпоху ранних послевоенных моделей универсальных компьютеров, а первые образцы специализированного оборудования САПР были созданы уже в середине 50-х годов. Однако широкое распространение САПР обусловлено появлением микропроцессорной техники, предоставившей возможности создавать, модифицировать и обрабатывать сложные графические изображения на экране монитора.

В настоящее время САПР обозначает аппаратно-программный комплекс, поддерживающий процесс проектирования с использованием специальных средств машинной графики, поддерживаемых пакетами программного обеспечения, для решения задач, связанных с проектной деятельностью. В совокупности развитая САПР представляет собой специализированную информационную систему. Сфера применения САПР охватывает такие разные области приложения, как архитектура, гражданское строительство, картография, медицина, геофизика, разработка моделей одежды, издательское дело, реклама.

Полная система САПР состоит из компонентов аппаратного и программного обеспечения. Общими компонентами аппаратного обеспечения системы САПР являются ЦП (центральный процессор), несколько рабочих станций, разделяемая между рабочими станциями периферия.

Состав типичной системы САПР:

- дисплей (графический и алфавитно-цифровой);

- процессор;

- клавиатура;

- устройство управления курсором (мышь, дигитайзер);

- электронный командный планшет;

- принтер.

Одним из наиболее давних и популярных средств автоматизированного проектирования является система АВТОКАД (AutoCad). АВТОКАД не является проблемно-ориентированной системой, т.е. не содержит специализированных баз данных, экспертных систем и многого из того, что входит в состав специализированной интеллектуальной САПР. АВТОКАД - достаточно простая универсальная система.

4. Научная графика.

Компьютерная графика представляет значительный интерес для научных исследований. В частности, она выступает как средство формирования научной документации с использованием специальной нотации - математических знаков, индексов, шрифтов и т.п. В последнее время ученые чаще стали обращаться к имитационному моделированию на компьютере.

В компьютерной графике большое значение имеют методы и способы геометрического моделирования. Модели, геометрические преобразования составляют в настоящее время основу теории компьютерной графики и геометрического моделирования. Аналитические модели - это набор чисел, логических параметров, играющих роль коэффициентов в уравнениях, которые задают графический объект заданной формы. Например, аналитической моделью окружности на плоскости в параметрической форме являются уравнения

где х0, у0 - координаты центра, R - радиус, А - угол. Параметрическое задание образов широко применяется в машинной графике и геометрии. Изображение окружности можно осуществить установкой последовательных точек (близко расположенных), изменяя генерирующий параметр А от 0 до 360°.

Координатные модели - это массивы координат точек, принадлежащих объектам. Например, поверхность задается массивом точек Z = f (x, у) на координатной сетке {xi, хj}. Если точки в модели расположены в том же порядке, что и на линии образа, то модели называют упорядоченными. Помимо координат, в модели могут быть указаны дополнительные характеристики проекции касательных или нормальных векторов [27].

Компьютерная графика прочно вошла в нашу жизнь. Появляется все больше клипов, сделанных с помощью компьютерной графики. Нет спору, компьютерная графика расширяет выразительные возможности. При творческом ее использовании реклама приобретает удивительную силу воздействия на зрителя. С помощью одной только компьютерной графики очень трудно донести до зрителя рекламную идею. И если в клипе лишь компьютерная графика, лишь созданный ее средствами сюрреалистический мир, то зритель остается холодным, хотя увиденное и поражает воображение. Ведь известно, что реклама наиболее эффективна тогда, когда потребителю хочется идентифицировать себя с человеком, пользующимся тем или иным товаром. Процесс узнаваемости себя в клипе - залог успеха. Большую роль в успехе играет от того, какой инструмент был выбран при работе с компьютерной графикой.

1.2 Инструментальные средства по типам и обоснование выбора

Выбор того или иного типа графического редактора в образовательном процессе зависит от поставленной задачи. Для правильного выбора, какого либо графического редактора нужно знать существующие в компьютерной графике методы представления графических объектов.

Методы представления графических объектов

Компьютерная графика подразделяется на:

статичную (неподвижная);

динамичную (анимация, компьютерная мультипликация).

Каждая, из которых в свою очередь делится на 2-х мерную и 3-х мерную.

В зависимости от способа формирования изображений, компьютерную графику принято делить на:

растровую;

векторную;

фрактальную.

Отдельным предметом считается трехмерная графика, изучающая приемы и методы построения объемных моделей объектов в виртуальном пространстве.

Растровая графика - машинная графика, в которой изображение представляется двумерным массивом точек (элементов растра), цвет и яркость каждой из которых задается независимо. Растр (растровый массив) - представление изображения в виде двумерного массива точек, упорядоченных в ряды и столбцы. Для каждой точки растра указывается цвет и яркость.

Пиксель - элемент (точка) растра (pixel - сокращение от слов picture element, т.е. элемент изображения), минимальная единица изображения, цвет и яркость которой можно задать независимо от остального изображения. Пиксель - основной элемент, кирпичик всех растровых изображений.

Термином пиксель кроме отдельного элемента растрового изображения отображают также отдельную точку на изображении, отдельную точку на экране компьютера, отдельную точку на изображении, напечатанном на принтере. Обычно используют термины:

пиксель - при ссылке на отдельный элемент растрового изображения;

видеопиксель - при ссылке на элемент изображения экрана компьютера;

точка - при ссылке на отдельную точку, создаваемую на бумаге.

Достоинства растровой графики

Растровая графика эффективно представляет реальные образы, т.к. человеческий глаз приспособлен для восприятия мира как огромных наборов дискретных элементов, образующих предметы. Хорошее растровое изображение выглядит реально и естественно

Растровое изображение наиболее адаптировано для распространенных растровых устройств вывода - лазерных принтеров и др.

Недостатки растровой графики

Занимают большой объем памяти.

Редактирование больших растровых изображений, занимающих большие массивы памяти, требуют большие ресурсы компьютера и, следовательно, требуют большего времени.

Трудоемкий процесс редактирования растровых изображений.

При увеличении размеров изображения сильно ухудшается качество.

Применение: обработка фотоизображений, художественная графика, реставрационные работы, работа со сканером.

Векторная графика описывает изображение с помощью математических формул. По своей сути любое изображение можно разложить на множество простых объектов, как то - контуры, графические примитивы и т.д. Любой такой простой объект состоит из контура и заливки.

Основное преимущество векторной графики состоит в том, что при изменении масштаба изображения оно не теряет своего качества. Отсюда следует и другой вывод - при изменении размеров изображения не изменяется размер файла. Ведь формулы, описывающие изображение, остаются те же, меняется только коэффициент пропорциональности. С другой стороны, такой способ хранения информации имеет и свои недостатки. Например, если делать очень сложную геометрическую фигуру (особенно если их много), то размер "векторного" файла может быть гораздо больше, чем его "растровый" аналог из-за сложности формул, описывающих такое изображение.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что векторную графику следует применять для изображений, не имеющих большого числа цветовых фонов, полутонов и оттенков. Например, оформления текстов, создания логотипов и т.д.

Векторную графику часто называют объектно-ориентированной графикой или чертежной графикой.

Простые объекты, такие как окружности, линии, сферы, кубы, заполнители (области однотонного или изменяющегося цвета для заполнения частей объектов) и т.п., называются примитивами и используются при создании более сложных объектов. В векторной графике изображения создаются путем комбинации различных объектов.

Файлы векторной графики могут содержать растровые изображения в качестве одного из типов объектов, представляющего набор инструкций для компьютера, такой растровый фрагмент можно, как правило, только масштабировать, но не редактировать. Существуют программы поддерживающие оба типа объектов и позволяют работать как с растровым так и с векторным изображением одновременно, хотя форматы растровых файлов описывают растровые изображения более эффективно.

Файлы векторной графики могут содержать несколько различных элементов:

наборы векторных команд;

таблицы информации о цвете рисунка;

данные о шрифтах, которые могут быть включены в рисунок.

Сложность векторных форматов определяется количеством возможных команд описания объектов. Векторные форматы файлов могут различаться способом кодирования данных, обладать разными цветовыми возможностями. Цвет объекта хранится в виде части его векторного описания.

Преимущества векторной графики

Векторная графика использует все преимущества разрешающей способности любого устройства вывода (используется максимально возможное количество точек устройства), что позволяет изменять размеры векторного рисунка без потери качества.

Векторная графика позволяет редактировать отдельные части рисунка, не оказывая влияния на остальные.

Векторные изображения, не содержащие растровых объектов, занимают относительно небольшое место в памяти компьютера.

Недостатки векторной графики

Векторные изображения выглядят искусственно.

Легко масштабировать, но меньше оттенков и полутонов чем в растровой графике.

Применение: компьютерная полиграфия, системы компьютерного проектирования, компьютерный дизайн и реклама.

Фрактальная графика, как и векторная, основана на математических вычислениях. Базовым элементом фрактальной графики является сама математическая формула, т.е. никаких объектов в памяти компьютера не хранится и изображение строится исключительно по уравнениям. Таким образом, строят как простейшие регулярные структуры, так и сложные иллюстрации, имитирующие природные ландшафты и трехмерные объекты. Фрактальная графика, как и векторная - вычисляемая, но отличается от неё тем, что никакие объекты в памяти компьютера не хранятся. Изображение строится по уравнению (или по системе уравнений), поэтому ничего, кроме формулы, хранить не надо. Изменив коэффициенты в уравнении, можно получить совершенно другую картину. Способность фрактальной графики моделировать образы живой природы вычислительным путем часто используют для автоматической генерации необычных иллюстраций [17].

Разрешение и размер изображения

Разрешение - это степень детализации изображения, число пикселей, отводимых на единицу площади. Поэтому имеет смысл говорить о разрешении изображения только применительно к какому-либо устройству ввода или вывода изображения. Например, пока имеется обычная фотография на твердом носителе, нельзя сказать о ее разрешении. Но как только мы попытаемся ввести эту фотографию в компьютер через сканер, нам необходимо будет определить разрешение оригинала, т.е. указать количество точек, считываемых сканером с одного квадратного дюйма.

Поскольку изображение можно рассматривать применительно к различным устройствам, то следует различать:

разрешение экрана;

разрешение печатающего устройства;

разрешение изображения.

Разрешение экрана - это свойство компьютерной системы (зависит от монитора и видеокарты) и операционной системы (например, зависит от настроек Windows). Разрешение экрана измеряется в пикселях и определяет размер изображения, которое может поместиться на экране целиком. Экранное разрешение - 72 пиксела на дюйм.

Разрешение принтера - это свойство принтера, выражающее количество отдельных точек, которые могут быть напечатаны на участке единичной длины. Оно измеряется в единицах dpi (сокр. dpi - dot per inch - точки на дюйм) и определяет размер изображения при заданном качестве или, наоборот, качество изображения при заданном размере.

Разрешение изображения - это свойство самого изображения. Оно тоже измеряется в точках на дюйм и задается при создании изображения в графическом редакторе или с помощью сканера. Чем больше разрешение изображения, тем больше величина файла изображения. Для Web используется экранное разрешение - 72 dpi. Значение разрешения изображения хранится в файле изображения и неразрывно связано с другим свойством изображения - его физическим размером.

Физический размер изображения может измеряться как в пикселях, так и в единицах длины (миллиметрах, сантиметрах, дюймах). Он задается при создании изображения и хранится вместе с файлом.

Если изображение готовят для демонстрации на экране, то его ширину и высоту задают в пикселях, чтобы знать, какую часть экрана оно занимает.

Если изображение готовят для печати, то его размер задают в единицах длины, чтобы знать, какую часть листа бумаги оно займет [11].

Цветовые модели

Если говорить о кодировании цветных графических изображений, то нужно рассмотреть принцип декомпозиции произвольного цвета на основные составляющие. Применяют несколько систем кодирования: HSB, RGB и CMYK. Первая цветовая модель проста и интуитивно понятна, т.е. удобна для человека, вторая наиболее удобна для компьютера, а последняя модель CMYK - для типографий. Использование этих цветовых моделей связано с тем, что световой поток может формироваться излучениями, представляющими собой комбинацию "чистых" спектральных цветов: красного, зеленого, синего или их производных. Различают аддитивное цветовоспроизведение (характерно для излучающих объектов) и субтрактивное цветовоспроизведение (характерно для отражающих объектов). В качестве примера объекта первого типа можно привести электронно-лучевую трубку монитора, второго типа - полиграфический отпечаток.

1. Модель HSB характеризуется тремя компонентами: оттенок цвета (Hue), насыщенность цвета (Saturation) и яркость цвета (Brightness). Можно получить большое количество произвольных цветов, регулируя эти компоненты. Эту цветовую модель лучше применять в тех графических редакторах, в которых изображения создают сами, а не обрабатывают уже готовые. Затем созданное свое произведение можно преобразовать в цветовую модель RGB, если ее планируется использовать в качестве экранной иллюстрации, или CMYK, если в качестве печатной. Значение цвета выбирается как вектор, выходящий из центра окружности. Направление вектора задается в угловых градусах и определяет цветовой оттенок. Насыщенность цвета определяется длиной вектора, а яркость цвета задается на отдельной оси, нулевая точка которой имеет черный цвет. Точка в центре соответствует белому (нейтральному) цвету, а точки по периметру - чистым цветам (рисунок 1).

Рис.1. Цветовая модель HSB

2. Принцип метода RGB заключается в следующем: известно, что любой цвет можно представить в виде комбинации трех цветов: красного (Red, R), зеленого (Green, G), синего (Blue, B). Другие цвета и их оттенки получаются за счет наличия или отсутствия этих составляющих. По первым буквам основных цветов система и получила свое название - RGB. Данная цветовая модель является аддитивной, то есть любой цвет можно получить сочетанием основных цветов в различных пропорциях. При наложении одного компонента основного цвета на другой, яркость суммарного излучения увеличивается. Если совместить все три компоненты, то получим ахроматический серый цвет, при увеличении яркости которого происходит приближение к белому цвету (рисунок 2).

Рис.2. Цветовая модель RGB

При 256 градациях тона (каждая точка кодируется 3 байтами) минимальные значения RGB (0,0,0) соответствуют черному цвету, а белому - максимальные с координатами (255, 255, 255). Чем больше значение байта цветовой составляющей, тем этот цвет ярче. Например, темно-синий кодируется тремя байтами (0, 0, 128), а ярко-синий (0, 0, 255).

3. Принцип метода CMYK. Эта цветовая модель используется при подготовке публикаций к печати. Каждому из основных цветов ставится в соответствие дополнительный цвет (дополняющий основной до белого). Получают дополнительный цвет за счет суммирования пары остальных основных цветов. Значит, дополнительными цветами для красного является голубой (Cyan, C):

"голубой" = "зеленый" + "синий" = "белый" - "красный";

для зеленого - пурпурный (Magenta, M):

"пурпурный" = "красный" + "синий" = "белый" - "зеленый";

для синего - желтый (Yellow, Y):

"желтый" = "красный" + "зеленый" = "белый" - "синий".

Причем принцип декомпозиции произвольного цвета на составляющие можно применять как для основных, так и для дополнительных, то есть любой цвет можно представить или в виде суммы красной, зеленой, синей составляющей или же в виде суммы голубой, пурпурной, желтой составляющей. В основном такой метод принят в полиграфии. Но там еще используют черный цвет (BlacК, так как буква В уже занята синим цветом, то обозначают буквой K). Это связано с тем, что наложение друг на друга дополнительных цветов не дает чистого черного цвета (рисунок 3) [18].

Рис.3. Цветовая модель CMYK

Форматы графических файлов

Знания о форматах записи электронных изображений необходимы при их сохранении, передаче, оптимизации использования в различных проектах и программах. Формат отражает функциональные предназначения графических изображений, а также различные способы сжатия графической информации. При выборе формата записи изображения следует обращать особое внимание на совместимость данного формата с разными программами, плотность записи, качество визуализации.

Например, начиная работу над новой web-страницей, приходится прежде всего решать, какие графические элементы будут на ней использоваться и откуда эти элементы можно получить. Многие из них, например кнопки или маркеры списков, можно нарисовать самостоятельно, используя графический редактор. В некоторых случаях можно обходиться вообще без графики, воспользовавшись, например, таблицами с цветным фоном и различными начертаниями шрифтов. Но если есть желание использовать фотографии или другую сложную графику, то приходится потратить некоторое время на поиск файлов с подходящими изображениями, сканирование фотографий или на съемку цифровой камерой. Независимо от того, каким из этих методов приходится пользоваться, рано или поздно будет необходимо сохранить промежуточные результаты обработки или найденные изображения.

На web-страницах применяется в основном растровая графика, но векторные редакторы широко применяются на предварительных этапах подготовки изображений. Они особенно полезны при разработке или корректировке логотипов и других элементов, требующих четкой прорисовки. Так что на различных этапах подготовки изображений приходится преобразовывать графические файлы из одного формата в другой.

Файлы растровых изображений могут иметь большой объем. В полиграфии и других областях, где нет необходимости постоянного переноса изображений с одного компьютера на другой, это не имеет большого значения. В web-дизайне все по-другому. Здесь главное - добиться высокой скорости передачи данных, а файлы большого размера этому вовсе не способствуют. Поэтому для графического оформления сайтов используют форматы, использующие сжатие изображений, которое позволяет уменьшить объем передаваемой информации. Изображения для web-страниц в большинстве случаев сжимаются за счет потери некоторой части информации. Это приводит к различным искажениям, снижающим общее качество изображения [11].

При подготовке высококачественной графики те или иные виды искажений недопустимы. Если исходное изображение уже содержит те или иные аномалии, то получить качественную картинку при дальнейшем сжатии будет практически невозможно. По этой причине на промежуточных этапах чаще всего используются форматы, не вносящие искажения, а значит, практически не допускающие сжатия без применения внешних архивирующих программ.

В настоящее время существует достаточное количество форматов для записи электронных изображений. В зависимости от вида кодируемой графики их можно разделить на:

форматы, хранящие изображение в растровом виде (PSD, GIF, JPG, TIFF, BMP, PCX);

форматы векторной графики (WMF);

форматы, совмещающие оба основных вида графики (растровую и векторную) (CDR, AI, XAR, EPS).

Допустим, перед педагогом стоит задача - сделать наглядный материал на основе компьютерной графики. Рассмотрим, какими инструментальными средствами он может воспользоваться.

Если необходимо нарисовать схему, график, чертеж, логотип, то желательно использовать программу для создания векторной графики. В случае обработки готовых фотографических материалов не обойтись без программ сканирования и обработки растровой графики. Возможно сочетание и векторной и растровой графики при создании изображения. Например, фотографию или готовый рисунок можно сканировать, придать необходимый размер, яркость, контрастность, заретушировать что-либо, т.е. обработать программой растрового графического редактора. А уж затем перейти к векторному графическому редактору с внедрением в него только что созданного изображения для дополнения в него новых векторных элементов [11].

Почти во всех школах изучение содержательной линии "Компьютерная графика" сводится к изучению функционального наполнения одного графического редактора. При этом в качестве программной поддержки, как показывает опрос, используется графический редактор Paint - (67 %), язык программирования (графические возможности) без изучения функционального наполнения какого-либо графического редактора - (13 %), аниматоры - (8 %). Следует заметить, что только (13 %) из опрошенных учителей кроме Paint знакомят учащихся с Corel Draw и Adobe Photoshop. Вместе с тем, как правило, в практике преподавания нет места темам: "Методы сжатия изображений", "Форматы графических файлов", "Виды преобразований фильтров" которые в большей мере необходимы для более эффективного изучения разделов "Мультимедиа-технологий", "Web-технологии", "Публикации в Web" [13].


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.