Алгоритмдер жєне деректер структурасы

Қазақстан Республикасы білім және ғылым министрлігі Шәкәрім атындағы Семей мемлекеттік университеті Физика – математика факультеті
3 деңгейдегі СМК құжаты	ПОӘК	ПОӘК 042.14.2.02.01.20.85/03-2013
«Қолданбалы программалық жабдықтар» пәні бойынша оқу-әдістемелік материалдар	01.09.2009 ж №1 басылым 02.09.2013 ж №2 басылым

МАЗМҰНЫ

	Дәрістер
	Машықтану сабақтары
	Зертханалық сабақтар
	Студенттердің өздік жұмыстарының жоспары

1. 
   Компьютерлік графиканың тарихы. КГ түрлері.
   
2. 
   Растрлық графика ұғымы.
   
3. 
   Векторлық графика ұғымы.
   
4. 
   Фрактальды графика.
   

Графикалық мүмкіндіктермен жабдықталған алғашқы компьютер сервомеханизмдер лабороториясында Джей У.Форрестер жетекшілігімен МТИ тобында дайындалды. Оған “Вихрь” деген ат берілді, секундына 20 мың операцияларды орындады және оның жадысы 2048 байт болды.

Компьютерлік графиканың бірінші программасы “Блокнот” деп аталды.Оны 1963 жылы Линкольновский лабораториясының программисі Айвен Сазерланд дайындады. Сазерланд жұмысы компьютерлік графика тарихында шешуші жағдай болды. Бұл интерактивті программа адамға экран бетінде тек сызу және өшіру ғана емес, сонымен қатар техникалық сын нәтижесін демонстрациялауға мүмкіндік берді.

“Блокнот” пайда болғанға дейін компьютерлік графиканың құралдарды көбінесе әскери мақсатта қолданды, яғни мәліметтердің мониторда графикалық түрде бейнеленуі алғаш рет 50-жылдары ғылыми және әскери зерттеулерде үлкен ЭЕМ үшін пайдаланылды. Сазерланд жұмысынан кейін компьютерлік графика өндірістегі инженерлік және конструкторлық дайындамаларды кең турде қолданыла бастады, алдымен автомобильді және космостың, содан кейін көптеген басқа салаларда.

Информатикада программалық-аппараттық есептеуіштердің көмегімен бейнелеудің әдістерін, сонымен қатар құрылу және өңдеу тәсілдерін оқытатын арнайы облыс - компьютерлік графика бар. Компьютерлік графика бейнелеудің барлық түрлерін және формаларын толық қарастырады. Компьютерлік графикасыз қазіргі заманда материалды әлемді елестету мүмкін емес. Мысалы медицина компьютерлік томографияны қолданады; ғылыми зерттеулер – заттардың, векторлық өрістердің және басқа да мәліметтердің құрылуын; бұлдар мен киімдерді модельдеуде; конструкторлық жобалауда қолданылады. Бейнелердің құрылу тәсіліне байланысты компьютерлік графика үш түрге бөлінеді: растрлық, векторлық және фрактальды. Жеке пән болып үш өлшемді графика саналады (3D). Мұнда векторлық және растрлық графикалар қатар, бірігіп қолданылады.

Түс ерекшелігіне байланысты ақ-қара, және түрлі-түсті графика болып бөлінеді. Әр түрлі мамандық салаларына байланысты инженерлік графика, ғылыми графика, web графика, компьютерлік полиграфия және т.б. болып бөлінеді. Компьютерлік графика тек құрал болып қызмет атқарса да, оның құрылымы және әдістері фундаментальды және қолданбалы ғылымдарға негізделген: математика, физика, химия, биология, статистика, прпограммалау және т.б.. Сондықтан да компьютерлік графика информатиканың дамушы саласы болып табылады.

2. Растрлық графиканы мультимедиялық жобаларды дайындауда қолданады. Компьютерлік графика жабдықтары арқылы орындалған иллюстрациялар, көбінесе сканер арқылы компьютерге енгізіледі, содан кейін арнайы программалармен – графикалық редакторлармен өңделеді. Растрлық графика торда орналасқан, пиксельдер деп аталатын, түрлі-түсті нүктелерді қолдану арқылы бейнелерді сипаттайды. Мысалы, ағаш жапырағының бейнесі тордағы әрбір нүктенің нақты орналасуымен және түсімен сипатталады, ол бейнені мозайкадағыдай етіп құрады.

Растрлық графиканы редактрлеу кезінде біз сызықтарды емес, түзулерді редактрлейміз. Бейнені сипаттайтын ақпарат тордың анықталған өлшеміне бектітілгеніне байланысты растрлық графика мүмкіншілікке байланысты. Растрлық графиканы редактрлеуде оның көріну сапасы өзгеруі мүмкін. Көп жағдайда, растрлық графиканың өлшемдерінің өзгеруі пикселдер торда қайта орналасуларына байланысты, бейне шеттерінің «жалбырап қалуына» әкелуі мүмкін. Құрылғыға растрлық графиканың өте төмен мүмкіншілікпен шығарылуы, бейненің өзінің мүмкіншілігіне қарағанда, оның сапасын төмендетеді.

Графиканың растрлы ұсынылымының негізі түсін көрсетуімен (нүкте) пиксель болып табылады. Мысалы ақ фондағы қызыл эллипсті сипаттау барысында эллипстің де сонымен қатар фонның да әрбір нүктесінің түсін көрсету қажет болады. Бейнелер нүктелердің үлкен саны түрінде көрінеді – олар көп болған сайын бейне визуальды сапалы және файл өлшемі де көп болады. Яғни, бір өлшем ұзындыққа сәйкес нүктелердің санына – мүмкіншілікке байланысты бір картинканың өзі жақсы немесе нашар сапамен болуы мүмкін. (әдетте дюмге нүктелер - dpi немесе дюмге пиксельдер – ppi).

Сонымен қатар, сапа бейненің әрбір нүктесі қабылдай алатын түстер және реңдер санымен сипатталады. Бейне реңдердің көп санымен сипатталған сайын, оларды сипаттау үшін соғұрлым разрядтар саны қажет болады. Қызыл 001 номерімен болуы мүмкін, және – 00000001 де болуы мүмкін. Сонымен, бейне сапалы болған сайын, файлдың көлемі де үлкен болады.

Растрлық ұсынымдар әдетте көп санды бөлшектер немесе реңдермен болатын фотографиялық типтегі бейнелерде қолданылады. Өкінішке орай, мұндай картиналарды масштабтау олардың сапасын төменднтеді. Нүктелер санын азайтқанда ұсақ бөлшектер жоғалады және жазбалар деформацияланады. Пиксельдерді қосу бейненің өткірлігінің және жарықтылығының нашарлауына әкеледі, яғни жаңа нүктелерге реңдер беру керек болады. Кеңейтілген форматтары: .tif, .gif, .jpg, .png, .bmp, .pcx және т.б.

3. Векторлық графикамен жұмыс істеуге арналған программалық жабдықтар керісінше қарапайым геометриялық фигуралар арқылы илллюстрациялар құруға арналған. Векторлық графиканы көбінесе өңдеу жұмыстарында қолданады. Векторлық графика бейнелерді векторлар деп аталатын түзу және игілген сызықтар, сонымен қатар түстерін және орналасуын сипаттайтын параметрлерді пайдалану арқылы сипаттайды. Мысалы, ағаш жапырағы нүктелермен сипатталады, олар арқылы жапырақ контурын құратын түзулер өтеді. Жапырақ түсі контур түсімен және осы контур ішіндегі облыс түсімен беріледі.

Векторлық графика элементтерін редактрлеуде, осы элементтердің формасын сипаттайтын түзу және иілмелі сызықтарын параметрлерін өзгертесіз. Сіз элементтерді жылжыта, өлшемдерін, формаларын, түстерін өзгерте аласыз, бірақ бұл оның визуальды сапасына әсерін тигізбейді. Векторлық графика мүмкіншілігіне тәуелді емес, яғни әртүрлі шығару құрылғыларында сапасын жоғалтпай түрліше мүмкіншіліктермен көрінуі мүмкін.

Векторлық ұсынымдар бейне объектілерінің математикалық қисықтармен, олардың түстерімен және толтырылымдарымен қорытындыланады. (шеңбер мен дөңгелек әртүрлі фигуралар екенін еске алайық). Ақ фондағы қызыл эллипс тек қана екі математикалық формуламен сипатталады – тіктөртбұрыш және эллипстің сәйкес түстерімен, өлшемдерімен және орналасқан орындарымен. Мұндай сипатталу әлдеқайда аз орын алады. Тағы бір ұтымдылық – кез-келген бағытқа сапалы масштабтау. Объектілерді үлкейту және кішірейту математикалық формуладағы сәйкес коэффициенттерді үлкейту және кішірейтумен жүргізіледі. Өкінішке орай векторлық формат өте көп түстерден немесе ұсақ бөлшектерден тұратын бейнелерді өткізу кезінде ұтымсыз болып табылады (мысалы, фотобейнелер). Себебі мұндағы әрбір кішкентай бейне осы жағдайда біртүсті нүктелердің жиынтығы болып көрінбейді, ол күрделі математикалық формула немесе әрқайсысы математикалық формулалар болатын графикалық примитивтер жиынтығы болып табылады. Бұл файлдың салмағын арттырады. Сонымен қатар, бейнені растрлықтан векторлық форматқа аудару (мысалы, Adobe Strime Line немесе Corel OCR-TRACE программасынан) оны үлкейте алмайтындай жағдайға әкеледі. Сызықты өлшемдерді үлкейткеннен ұсақ бөлшектер саны немесе реңдері аудан бірлігіне үлкеймейді. Бұл шектеулер енгізу құрылғыларының (сканерлер, цифрлы фотокамералар) мүмкіншілігімен болады.

Осылайша, растрлық немесе векторлық форматтарды таңдау бейнемен жұмыстың мақсатына және міндетіне байланысты. Егер түстерді берудің фотографиялық дәлдігі қажет болса, онда растр тиімдірек. Логотиптер, сызбалар, өңдеу элементтерін векторлық форматта ұсынған ыңғайлы. Растрлық және векторлық ұсынымдарда графика (мәтін сияқты) экран маниторына немесе баспалау құрылғыларына нүктелердің жиынтығы ретінде шығады. Интернетте графика қосымша модульдерді орнатпаса да броузермен түсінілетін мынадай растрлық форматтардың бірімен ұсынылады - GIF, JPG, PNG.

4. Фрактальды көркем графиканы құру сурет салуға негізделмеген, ол программалауға негізделген. Фрактальды графикаға арналған программалық жабдықтар бейнені математикалық есептеулер арқылы автоматты түрде генерациялауға арналған. Мұнда ешқандай объект компьютер жадысында сақталмайды, кескіндер теңдеулерге қатысты құрылады.
Cұрақтар:

1. 
   Компьютерлік графиканың тарихы нешінші жылдан басталды? КГ қандай түрлерге бөлінеді?
   
2. 
   Растрлық графиканың ең кіші элементі не?
   
3. 
   Векторлық графика қай салаларда қолданылады?
   
4. 
   Фрактальды графиканың ерекшелгі неде?
   

Под ред. С.В. Симоновича. Информатика. Базовый курс. 2-е издание. -СПб.: Питер, 2005

Петров М.Н., Молочков В.П. Компьютерная графика: Учебник для вузов. -СПб.: Питер, 2003

Рейнбоу В. Компьютерная графика. Энциклопедия, пер. с англ.- СПб.: Питер, 2003

1. 
   Компьютерлік графиканың қазіргі заманғы қолданыстағы түрлері.
   
2. 
   ИМГ қолдану жабдықтарымен таныстыру, графикалық файлдар фолрматтары.
   

Бұл бағыт ең бірінші пайда болды. Қызметі – ғылыми зерттеулер объектлерінің визуализациясы (яғни, көрнекі кескін), есептеу нәтижелерінің графикалық өңделуі, есептеу тәжірибелерін олардың нәтижелерін көрнекі көрсетумен жүргізу.

Компьютерлдік графиканың бұл облысы әртүрлі мекемелер жұмыстарында жиі қолданылатын иллюстрацияларды құруға арналған. Жоспарлық көрсеткіштер, есеп құжаттары, статикалық жинақтар – яғни бұлардың барлығы іскер графика көмегімен құрылатын иллюстративті материалдар объектілері. Көбінесе бұл графиктекр, яғни дөңгелек және бағандық диаграммалар.

Көбінесе жаңа техниканы жасайтын инженер-конструкторлар жұмыстарында қолданылады. Компьютерлік графиканың бұл түрі Жоспарлауды автоматтандыратын жүйенің (САПР) міндетті элементі болып табылады. Жоспарлауды автоматтандыратын жүйенің графикасы жоспарланатын құрылғының техникалық чертежін дайындау үшін қолданылады. Есептеулермен үйлескен графика тиімді конструкцияны іздеуді көрнекі түрде жүргізуге, бұйымдарды әлдеқайда ұтымды жинақтауға, конструкцияда болатын өзгерісті болжауға мүмкіндік береді. Конструкторлы графика құралдарымен жазық бейнелерді (проекция, қима) және кеңістіктег, үшөлшемді бейнелерді алуға болады.

Иллюстративті графиканың программалық құралдары адамға компьютерді кез келген сурет салу, сызу сызу, тағы сол сияқтылар үшін мүмкіндік береді, яғни мұның бәрін қағазда қарындаш, бояу, циркуль, сызғыш және т.б. көмегімен жасағандай болады. Иллюстративті пакет графикасы қандай да бір шығармашылық бағытта болмайды, сондықтан да олар қолданбалы программалық жабдықтарға жатады.

Иллюстративті графиканың қарапайым құралын графикалық редактор деп атайды. Бұл салыстырмалы сала, бірақ көбінесе теледидар көмегімен танымал болған. Компьютер көмегімен жарнамалық роликтер, мультфильдер, компьютерлік ойындар, видео сабақтар, видео презентациялар және т.б. құрылады. Графикалық пакеттер осы мақсаттар үшін жылдамдығы мен жады бойынша компьютердің жоғары ресурстарын талап етеді. Графикалық пакеттердің осы класстарының айрықшылығы болып нақты бейнені (яғни, табиғиға өте жақын) жасау, сонымен қатар «жылжымалы « картиналарды жасау болып табылады. Нақты бейнелерді графикалық пакеттерде жасау үшін әлдеқайда математикалық аппарат қолданылады. Мысалы, үш өлшемді объект суреттерін алу, олардың бұрылыстары, жақындаулары, жойылуы, дефомациялануы – осылардың барлығы геометриялық есептеулермен байланысты. Жарық көзінің орналауынан, көлеңкенің орналасуынан, бетінің фактурасынан (глянцевая, матовая, пористая и пр.) объектіге жарық берілуі оптика заңдарын есепке алатын есептеулерді қажет етеді. ЭЕМ жылжымалы бейнені алу компьютерлік аннимация деп аталады. "Анимация" сөзі «тірілу» дегенді білдіреді, (английскому animal - аңдар сөзіне жақын). Көпшіліктеріңізге художник-мультипликатор фильмдерін қалай құрады деген сұрақ келеді. Қозғалысты беру үшін, оларға бір-бірінен кқп емес ерекшеліктері бар мыңдаған суреттерді салу қажет болады. Содан кейін осы суреттер кинопленкаға қайта түсіріледі. Компьютерлік аннимация жүйесі осындай өнбейтін жұмыстардың көптеген бөлігін өзіне алады. Мысалы, мысалы худржник экранда қозғалмалы объектінің бастапқы және соңғы қалыпын құруы мүмкін, ал арасындағы қалып күйлерін компьютер есептеп және бейнелейді. Осындай жұмыс та берілген қозғалыс типінің математикалық сипатталуына сүйенетін есептеулермен байланысты. Экранға анықталған жиілікпен біртіндеп шығарылған суреттер қозғалыс иллюзиясын құрады. Мультимедиа – салыстырмалы түрде жаңа ақпараттық технологияның жас саласы. "Мультимедиа" сөзі арқылы бірнеше ақпараттық каналдар көмегімен бір уақытта қолданушыға әсер етуді түсінеді. Сонымен қатар былай да айтуға болады: мультимедиа – бұл өте сапалы бейнелерді (сонымен қатар графикалық аннимациялар мен видео кадрлар) компьютер экранында нақты дыбыстық қолдаумен біріктіру. Мультимедиа жүйесі оқытуда, жарнамада, ойын-сауық облыстарында өте көп танымал болды.

Растрлық файл жеңілірек құрылған. Ол кішкентай шаршыларға-пиксельдерге (pixel – picture element) бөлінген тіктөртбұрышты матрицаны көрсетеді (bitmap). Әрбір шаршы дюмде пиксельдер көп болған сайын, соғұрлым файл мүмкіндігі жоғары болады. Берілген құрылым барлық растрлық файлдарға қатысты. Олар қандай да бір қосымша информацияны алып жүру, түстер санымен және басқа да мүмкіндіктерімен ерекшеленеді.

1. 
   Компьютерлік графиканың қазіргі заманғы қолданыстағы түрлері қандай?
   
2. 
   ИМГ қолдану жабдықтарын атаңыз?
   
3. 
   Графикалық файлдар фолрматтары қандай?
   

Под ред. С.В. Симоновича. Информатика. Базовый курс. 2-е издание. -СПб.: Питер, 2005

Петров М.Н., Молочков В.П. Компьютерная графика: Учебник для вузов. -СПб.: Питер, 2003

Рейнбоу В. Компьютерная графика. Энциклопедия, пер. с англ.- СПб.: Питер, 2003

Дәріс жоспары:

1. 
   Ақпаратты енгізу құрылғылары;
   
2. 
   Ақпаратты шығару құрылғылары.
   

ДК маңызды құрама бөліктерінің бірі оның видеожүйесі, ол монитор мен видеоадаптердан тұрады.. Монитор экранда қолданушы визуальды түрде қабылдайтын мәтіндік және графикалық ақпараттарды бейнелеуге арналған. Қазіргі уақытта мониторлардың өте көп алуан түрлі типтері бар. Оларды келесі ерекшеліктерімен сипаттауға болады:

• 
  Бейнелеу режимі (растрлы дисплейлер, векторлы дисплейлер);
  
• 
  Экран типі (ЭСТ негізіндегі дисплейлер, сұйықкристаллды, плазмалық);
  
• 
  Диагоналі бойынша өлшемі (әдетте 14 тен 21 дюйм);
  
• 
  Түстілігі (түрлі-түсті, монохромды);
  
• 
  Кадрлар жиілігі (әдетте 50 ден 100 Гц).
  

Пернетақтана мен бірге тышқан ақпаратты енгізудің маңызды құрылғысы болып табылады. Күрделі графикалық қабықшасы бар қазіргі заманғы программалық өнімдерде тышқан программаны басқаратын негізгі құрылғы болып табылады.

Қызметі бойынша тышқан былайша бөлінеді:

• 
  механикалық;
  
• 
  оптика-механикалық;
  
• 
  оптикалық.
  

• 
  тізбектелген;
  
• 
  параллельді.
  

Бұл жарықтысезгіш құрылғы экран нүктесінің координатасын алуға арналған.

Формасы бойынша жазба қаламсабын еске түсіретін, жарық перосы, монитор экранымен қарым қатынас үшін арналған. Пероның ұшында фотоэлемент орнатылған, ол жарық сигналына әсер етеді.

джойстиктер

Джойстик ақпаратты енгізудің координаттық құрылғысы болып табылады және өте жиі компьютерлік ойындарда және тренажерлерде қолданылады. Джойстики болады:

• 
  аналогты;
  
• 
  цифрлы.
  

Трекбол – бұл үлкен көлемдегі шаригі бар тышқан құрылғысының төңкерілген түрі ретінде болатын, ақпаратты енгізу құрылғысы. Әрекет принциптері мен ақпаратты беру тәсілдері тышқанмен бірдей.

Тышқаннан негізгі ерекшелігі:

• 
  Қозғалмайтын корпуска байланысты бірқалыпты орын;
  
• 
  Жылжу үшін кішкене аудан қажет жоқ.
  

Трекпоинт – Ноутбуктарды алғаш пайда болған, координаттық құрылғы. Ол саусақтың басылуымен басқарылады.

Тачпад саусақ қозғалысы арқылы курсорды жылжытады. Көптеген ноутбуктарда осы құрылғы қолданады, себебі мұнда қозғалатын бөлшектер жоқ..

принтерлер

Принтерлер ақпаратты қағаз бетіне шығарудың танымал құрылғысы. Баспалау технологиясына байланысты бөлінеді:

• 
  матрицалық;
  
• 
  сия бүріккіш;
  
• 
  лазерлік.
  

плоттерлер

Плоттер – графикалық түрдегі ақпаратты қағаз бетіне шығаруға арналған құрылғы. Плоттер (графиксызғыш) – бұл диаграммаларды немесе сызықтар арқлылы салынатын басқа да бейнелерді автоматты түрде салуға арналған құрылғы.

Түрлері:

• 
  планшетті;
  
• 
  барабанды;
  
• 
  рулонды немесе роликті.
  

• 
  векторлы;
  
• 
  растрлы.
  

Сканер – қағаздан немесе пленкадан ақ-қара немесе түрлі-түсті ақпараттарды енгізуге арналған құрылғы.

Сканеры бөлінеді::

• 
  ақ-қара;
  
• 
  түрлі-түсті.
  

• 
  қолымен басқарылатын;
  
• 
  барабанды;
  
• 
  планшетті.
  

Дигитайзер кәсіпқой графикалық жұмыстарға арналған. Арнайы программалық жабдық бойынша ол оператордың қолының қозғалысын векторлық графика форматына түрлендіреді.

Дигитайзер жұмы беті болып табылатын арнайы планшеттен, ол сәйкес программалық жабдыққа байланысты әртүрлі қызметтер атқарады, және жарық перосынан тұрады.