Обзор по машинной графике

Машинная графика стала яркой приметой нашего времени - сегодня это наиболее наглядное средство связи между человеком и компьютером. Спектр применений МГ настолько широк, что затрагивает сегодня практически каждого пользователя и специалиста в самых различных областях. Виртуальная реальность, фрактальная геометрия, реалистический синтез живых объектов, компьютерная анимация, средства МГ в решении вечных задач искусства - все это будоражит умы и открывают новые высоты на пути творчества. Богатый потенциал МГ определяется солидной математической базой, носителями которой являются конкретные специалисты, поэтому ее дальнейшее развитие и распространение в значительной степени зависит от уровня как общего, так и специального образования. В этой связи будет весьма поучительным краткое знакомство с уровнями образования и обучением машинной графике в разных странах.

Австралия: Университеты предлагают разнообразить учебные курсы по МГ
Машинная графика введена на третьем курсе обучения в большинстве университетов Австралии, многие из которых на четвертом году обучения предлагают дополнительный продвинутый курс по графике.

Каждая университетская программа включает все самые распространенные темы по МГ: построение прямых и кривых, сглаживание, 2D и 3D преобразования, 3D трансформации изображения путем изменения точки наблюдения, алгоритмы отсечения невидимых линий и поверхностей, алгоритм заполнения многоугольников, моделирование сечений, яркости, полутонов и объемов. Многие университеты включают в программы курсов по МГ алгоритмы работы с текстурами, моделирование цветовых оттенков в модели RGB и GIE, мультипликацию, виртуальное моделирование через парадигму камеры, проектирование графических интерфейсов, работу со сплайнами, рекурсивную геометрию, алгоритмы трассировки лучей и оценки зрительного восприятие человека. Около половины учебных программ опирается на графические стандарты: GKS и PHIGS. Основные темы в программах по графическим стандартам включают способы графического ввода, графические устройства отображения для вывода, системы координат, графические примитивы, окна и области вывода, а также команды в метаграфике. Дополнительные сведения, включенные сверх программ курсов МГ, предоставляют студентам возможность изучать некоторые смежные, интересные и своего рода уникальные темы.

В университетах Ла-Тробы и Деакина включена очень популярная среди студентов тема по разработке интерактивных графических игр. В университете Северной Территории преподается полный курс, направленный исключительно на компьютерную анимацию. Он включает программное обеспечение для мультипликации, раскрывает ее основные методы и способы оценки. Университет также предлагает полный курс с интригующим названием "Изучение зрительного представления". Оба курса рассчитаны для третьего года обучения. Университет Ла-Тробы также предлагает курсы по анимации и включает в свои программы темы по координации звука и зрительного восприятия с существующими мультимедийными системами. В программе университета Ньюкасла включены такие вопросы как разработка аппаратного обеспечения машинной графики и архитектуры. В Тасмании читается курс по аппаратному обеспечению, включающий контурные карты и диаграммы. Университет Деакина предлагает два курса: "Машинная графика и взаимодействие человека с компьютером" и "САПР и представление изображения", направленных на использование прикладного программного обеспечения МГ. В университете читается еще курс "Взаимодействие человека с компьютером", затрагивающий GUI стандарты (Windows,X Window, Mac и OSF-Motif), а также включающий API, библиотеки и визуальные языки программирования.

В Академии вооруженных сил Австралии имеется курс по архитектуре клиент/сервер под X Window, инструментальным средствам, уровням программного обеспечения (X lib, X Intrinsics и Widgets), событиям, относящимся к графическому выводу, а также выходным устройствам формирования документальных копий. В Мурдокском университете читается курс лекций по обработке изображений, системам под Windows и по использованию графических средств в разработке интерфейса пользователя. Университет Файндерса предлагает курс по GUI для студентов 4-го года обучения, а два средства построения интерфейса - InterViews и X toolkit, Athena Widgets используются для выполнения специальных заданий. Курс машинной графики Университета Квинсленда включает программные средства по взаимодействию пользователей с вычислительной системой, автоматизации учрежденческой деятельности и графическим стандартам CAD/CAM. Университет Монаша предлагает курс для четверокурсников под названием "Геометрическое моделирование". Университет Мак-Куари - пакет по геометрическому моделированию под X Window вместе с усовершенствованными интерфейсами пользователя. Университет Тасмании предлагает курс по схематическому изображению. Университет Мельбурна объединяет графику с обработкой изображений в одном курсе, а также включает влияние зрительного восприятия человека на разработку качественной машинной графики. Университет Ла-Тробы на четвертом году обучения предлагает курс по автоматизированному моделированию с использованием графики, классификаций роботов и расчета траекторий. Курс в Университете Ньюкасла включает фракталы и точечные системы, а Викторианский технологический университет расширил курс по 3D трансформациям, исследуя их инверсии. Пока еще нет сведений о большом влиянии World Wide Web на обучение машинной графики в Австралии - нормой для лекторов является составление собственных программ и курсовых материалов для отражения своих исследовательских интересов, мотиваций и подчеркивания нужд отделений.

Наиболее используемые языки программирования в университетах - Си и Си++, а среди графических пакетов - PHIGS. Языки идут в связке с несколькими платформами, включая ПК, Power Mac и рабочие станции Silicon Graphics. Программные комплексы X lib, X Intrinsics и Widgets, X Window используются на платформе X терминала, PHIGS и SRGP выполняются на нескольких платформах, включая ПК, но большей частью используются на X терминалах, GKS работает на нескольких платформах.

Во всех курсах присутствует практическая составляющая, которая может варьироваться от одного большого задания до четырех поменьше. Примерно 30-50% годовых отметок составляют практические задания, оставшаяся часть приходится на письменный экзамен. Задания включают работы по фракталам, рисование карт, использование графических интерактивных методов и т.п. В Университете Западной Австралии заданием чаще предусматривается разработка Windows приложения по визуализации данных из других дисциплин, например моделирование датчика давления, объема и температуры или визуализация процессов эволюции мозга для факультета анатомии и биологии человека.

Стимулом к работе у студентов является победа в престижных состязаниях с выдачей свидетельства, упоминание в различных статьях по МГ, что весьма цениться сегодня работодателями.

Великобритания: национальная поддержка обучению МГ
Школьное образование в Великобритании занимает 13 лет, начиная с пятилетнего возраста и до 18 лет. Далее студенты совершенствуют свое образование еще в течение 3 (Англия, Уэльс) или 4 лет (Шотландия) в университете, где им присваивается степень бакалавра. Некоторые из них учатся еще один год для получения степени магистра или 3-4 года могут работать над докторской диссертацией. Сейчас в Великобритании около 90 университетов и, фактически, все они на научно-инженерных факультетах предлагают программы по вычислительной технике и информационным системам, причем каждая из них обязательно включает один или два курса по МГ. Курс занимает 75 часов, включая 20 часов лекций в течение 12 недель. Подобные курсы введены также на факультетах эстетики и дизайна.

В Великобритании нет согласованной национальной программы - каждый университет предлагает свои собственные как на степень бакалавра так и на продвинутых курсах. Но в то же время существует Консультативная группа по МГ (AGOCG), обеспечивающая на национальном уровне единую координацию расходования средств на машинную графику, визуализацию и мультимедиа в высших учебных заведениях Великобритании. Основная деятельность этой группы направлена на возведение фундамента для использования методов МГ в учебном процессе и научной работе. AGOCG финансируется государством через Объединенный комитет информационных систем (JISC) при Совете, выделяющим средства на высшее образование, а также через Научные советы. AGOCG действует как "программа-зонтик" для финансирования ряда эффективных по времени и цене проектов, а также привлекает экспертов, консультирующих преподавательский состав высших учебных заведений. Консультации включают доклады о современном состоянии дел в МГ, материалы для обучения, курсы или оценки программных средств. Кроме того, группа постоянно следит за разработкой и использованием стандартов. Продолжительность большинства проектов составляет от 1 до 6 месяцев и финансируется на уровне 1-7 тыс. фунтов стерлингов. Деятельность группы освещается на сервере http://www.agocg.ac.uk:8080/agocg/.

Китай: Секреты МГ каждому студенту
Обучение машинной графике началось в Китае в конце 70-х и получило значительный импульс за последние 10 лет. Университеты по всей стране включают в свои программы курсы по МГ и семинары по подготовке преподавателей и специалистов.

Академическое образование в Китае можно получить в университетах, где предлагаются три уровня образовательных программ. Программа для студентов на степень бакалавра рассчитана на 4 - 5 лет. Такие ведущие университеты как Tsinghua, Nanjing и Zhejing включают факультативные курсы по машинной графике для старшекурсников. Темы включают введение к аппаратному и программному обеспечению машинной графики, конвейерная обработка 2D графики, стандарты GKS и PHIGS. Такого рода курсы носят прикладной характер, а их содержание зависит от предметной области. Так для студентов машиностроительного отделения в программе упор может быть сделан на САПР.

Программа для аспирантов, ведущая к получению степени магистра, рассчитана на 3 года. Здесь знания по предмету углубляются и можно выбрать специализированную тему. Студенты должны изучить несколько обязательных курсов и много дополнительных на выбор. Выпускники в конце обучения представляют диссертацию - во многих университетах можно получить степень магистра по машинной графике. Самым высоким уровнем является программа на Ph.D., ведущая к получению докторской степени, и рассчитанная на 3-4 года. В первые три семестра кандидат может пройти несколько курсов по своей исследовательской работе и, если это машинная графика, то можно прослушать лекции по геометрическому моделированию, САПР и т.п.

Курсы машинной графики значительно отличаются друг от друга. Одни затрагивают аспекты машинной графики, другие - области, смежные с ней, а именно, САПР, инженерную графику, обработку изображений, распознавание образов и машинное зрение. Программы можно разделить на основные и продвинутые. В первых внимание сосредотачивается на 2D графике и, может заканчиваться на введении в 3D графику. Основными темами продвинутого уровня являются трассировка лучей, интегральная суперпозиция света и объемное изображение. Преподавателями по МГ в университете Zhejiang являются специалисты с отделений вычислительной техники, машиностроения, математики, а также лабораторий автоматизированных средств. Подавляющая часть курсов сопровождается практическими занятиями, обычно на рабочих станциях UNIX, а иногда на ПК.

Германия: Машинная графика на факультетах вычислительной техники
Обучение машинной графике в Германии начало развиваться в нескольких университетах с конца 70-х, а к началу 80-х число их выросло уже до 20 и удвоилось за период с 1990. В большинстве университетов машинная графика изучается на факультетах вычислительной техники и включена в обязательные программы для старшекурсников. Машинная графика в качестве специализированного предмета, выбранного аспирантами, составляет около 10 - 20%. Формы обучения - лекции, семинары, практические занятия и проекты. Спектр изучаемых тем довольно широк и хотя стандартный ряд тем можно встретить во всех институтах, индивидуальные программы в значительной степени зависят от преподавателей и их интересов. Геометрическое моделирование и родственные области считаются доминирующими, фотореалистическое воспроизведение также не обойдено вниманием. Но компьютерная анимация, виртуальная реальность, параллельная обработка и гипермедиа еще не стали темами для исследований, а о таких областях как физиология зрительного восприятия и графические стандарты говорить пока не приходится. Аппаратное обеспечение машинной графики, структуры данных и баз данных не попали еще в десятку распространенных тем. Географические информационные системы едва ли кто изучает, даже САПР и смежные области не пользуются популярностью.

В той или иной форме преподаватели используют электронные средства, причем наряду с собственными разработками берут на вооружение такие коммерческие продукты как SIGGRAPH видео. Практические задания и разработка программ обычно выполняются как на различных типах рабочих станций UNIX, так и на ПК. Используемое программное обеспечение включает как языки программирования и стандартные библиотеки, так коммерческие и собственные системы программного обеспечения МГ. Это указывает на то, что разработка программ является частью обучения. В половине институтов, предлагающих обучение графике, название предмета в явном виде указывается в свидетельстве об окончании, в других достижения студентов в машинной графике оцениваются как бы вместе с другим предметом.

Япония: МГ - инструмент образования в области искусства и дизайна
Система образования в Японии, строго контролируется Министерством образования. Шесть лет начальной школы и три года младшей высшей школы считаются обязательными для всех детей. Три года высшей школы и более - дополнительное образование, хотя большинство учащихся продолжает учиться. Министерство образования установило персональные компьютеры практически во всех начальных и младших высших школах. Пока еще редко можно найти курсы по МГ ниже уровня высшей школы, хотя и встречаются исключения. Высшее образование можно разбить на три категории: окончание учебного заведения со степенью, четыре года "аспирантуры" и двухгодичные колледжи. Кроме того, существуют специализированные школы, выдающие свидетельство по конкретным предметам. Программы обмена колледжами нетипичны в Японии. Так, студенты, изучающие искусство, не могут прослушать курс лекций по машинной графике в других университетах. Также трудно студенту одного отделения прослушать курс в другом. Отсутствие междисциплинарного образования затрудняет развитие машинной графики - данный предмет требует фундаментального изучения и в вычислительной технике, и в области искусства и дизайна.

Существует всего несколько колледжей по эстетике и дизайну, в которых присваивается степень по машинной графике. Хотя МГ имеет 15-летнюю историю в колледжах по эстетике, она не стала основной темой для подавляющего большинства выпускников. Однако сегодня многое пересматривается - в колледжах, где не присваивают степеней по машинной графике, вводятся курсы ее обучения. Многие из них излагаются как вводные на разных факультетах, например, системы обучения рисованию для отделения графического дизайна, или использование 3D графики для отделения по дизайну продуктов и т.д.

Стоит выделить новые колледжи, развивающиеся по концепции "искусство и технология". В этих школах устанавливаются мощные мультимедиа станции с современным программным обеспечением. В результате работы студентов в подобных колледжах имеют высокое техническое качество, которое невозможно достичь в традиционных колледжах по эстетике. Эти колледжи, включая Kobe Design University и Tokohu Institute of Desigh, растят сегодня новое поколение специалистов по эстетике и дизайну. Например на отделении изобразительного искусства в женском колледже изобразительного искусства МГ преподается как основной предмет наряду с рисованием и лепкой. Имеются курсы по 2D графике с использованием систем по рисованию, 3D графике на базе методов трассировки лучей, включая анимацию и интерактивную графику для мультимедиа.

В Японии существует много специализированных школ, в которых выдаются дипломы по машинной графике и цифровых медиа. Так как эти школы не рассматриваются как образование в колледжах, программа полностью может быть направлена на изучение машинной графики. Но слабым местом здесь является уровень студентов, которых в японском обществе называют "неудачниками" - они не поступили в колледж. Таким образом, особого энтузиазма от студентов ожидать не приходится. По этой причине, на курсах обучают работать со специализированными системами программного обеспечения, а многие выпускники становятся операторами на производственных фирмах. Пока все меняется слишком медленно, несмотря на то, что фирмы нанимают множество талантливых выпускников, которые смогли бы с большей эффективностью использовать свои знания и навыки.

Россия: 90-е годы - резкий взлет в МГ перед падением
Продолжительность обучения в университетах России равна 5 - 6 лет. По окончании выпускники защищают дипломные работы или проекты, аналогичные степени магистра. Такой промежуточной степени, как бакалавр, не существует. Следующий этап образования - аспирантура (3 года), по окончании которой выпускники защищают кандидатскую диссертацию аналогичной докторской степени на западе.

Обучение и разработки по машинной графике пробивало себе дорогу в России в крайне неблагоприятных условиях, а именно в изоляция от западных стран и при очень слабых контактах с западными профессионалами и научными обществами. Правила КОКОМ на экспорт из США вынудили почти везде в России создавать и использовать свои компьютеры и разрабатывать к ним свое программное обеспечение.

Первые разработки в машинной графике относились ко второй половине 60-х годов, брали свое начало в институтах Академии наук (Москва, Новосибирск) и были ориентированы на разработку средств визуализации результатов научных расчетов. В это же время в Минске и Нижнем Новгороде разрабатываются языки для описания чертежей. В начале 70-х тема МГ уже звучит в нескольких дипломных работах, а в середине 70-х защищено ряд кандидатских диссертаций. С тех пор МГ становится образовательным предметом. Курсы по МГ вошли в программы университетов с начала 80-х и до 1988 года 20-30 студентов 3-4 курсов посещали факультативные лекции. Раз в неделю проводились семинары для тех, кто выбрал МГ в качестве основной темы своей специализации. Так, шаг за шагом студенты вникали в предмет, проводя обзорные, исследовательские работы и заканчивая свое образование защитой дипломных проектов по МГ.

Интерес в курсах по МГ быстро рос и в начале 90-х более 100 студентов МГУ посещали лекции, а курс "Введение в машинную графику", рассчитанный на один семестр, становится обязательным для 300 студентов университета. Кроме того, проводится факультативный продвинутый курс для преподавания на специализированых семинарах. В технических программах МГ рассматривалась как часть курсов по начертательной геометрии, системам автоматизированного проектирования и производства. Эта часть обычно связана с изучением некоторых зарубежных и отечественных систем черчения с помощью компьютера.

Ситуация с изучением МГ резко изменилась в середине 90-х годов - времена холодной войны прошли, и ограничения КОКОМ были сняты. Казалось, вот теперь-то все пути открыты для развития многих областей науки и техники. Но вхождение в международное профессиональное сообщество после стольких лет изоляции поставило много проблем. Многие работы российских ученых в вычислительной геометрии и машинной графике не были известны за пределами страны. Предстояло многое пересмотреть в принципах и подходах образования, в том числе и в обучении МГ. Сегодня практически единственным средством стимулирования и координации обучения МГ в России является проведение конференций ГРАФИКОН, круглых столов и семинаров. Они являются важнейшим источником получения самой последней литературы по МГ и ее смежным областям.

Сегодня ощущается острая нехватка специализированной литературы - последняя книга по МГ, изданная на русском языке, датируется 1989 годом - это Д.Роджерс, "Математические основы МГ". Еще одна книга того же автора, переведенная на русский около 5 лет назад, до сих пор не издана. В самых крупных библиотеках прервана подписка на издания CACM, ACM TOG, IEEE CG и т.д. - финансирование на научные разработки и образование было урезано. При цифре бюджета 1.5% на образование и науку средств не хватает даже на зарплату, не говоря об оборудовании и литературе. Конечно, предпринимаются попытки преодоления этой информационной блокады. Появились две отечественные книги по МГ, причем одна из них построена по программе МГ в МГУ. Появляются новые журналы и газеты по вычислительной технике и смежным областям, в которых можно почитать о новых разработках и исследованиях, познакомиться с материалами конференций и семинаров. Так, материалы пятого форума ГРАФИКОН вошли в основу тематического выпуска журнала "Открытые системы" (1995, N 5(13)). Развивается сеть Internet, где можно почерпнуть информацию о самых последних исследованиях в различных областях, обмениваться знаниями и разработками. Но в России доступ к этому источнику имеют только самые крупные институты в центральных городах.

В странах, где образование, в том числе обучение МГ, является государственной политикой (Австралия, Англия, Китай и т.д.), виден бурный рост квалифицированных кадров, исследований и разработок в самых разных областях. Там, где средства на образование и науку выделяется по крохам (Россия), результаты плачевны. Если в ближайшее время не будет кардинальных изменений, процесс отставания и деградации может стать необратимым