Понятие компьютерной графики. Основные этапы развития

Компьютерная графика насчитывает в своем развитии не более десятка лет, а ее коммерческим приложениям - и того меньше. Андриесван Дам считается одним из отцов компьютерной графики, а его книги - фундаментальными учебниками по всему спектру технологий, положенных в основу машинной графики. Также в этой области известен Айвэн Сазерленд, чья докторская диссертация явилась теоретической основой машинной графики.

До недавнего времени экспериментирование по использованию возможностей интерактивной машинной графики было привилегией лишь небольшому количеству специалистов, в основном ученые и инженеры, занимающиеся вопросами автоматизации проектирования, анализа данных и математического моделирования. Теперь же исследование реальных и воображаемых миров через «призму» компьютеров стало доступно гораздо более широкому кругу людей.

Такое изменение ситуации обусловлено несколькими причинами. Прежде всего, в результате резкого улучшения соотношения стоимость / производительность для некоторых компонент аппаратуры компьютеров. Кроме того, стандартное программное обеспечение высокого уровня для графики стало широкодоступным, что упрощает написание новых прикладных программ, переносимых с компьютеров одного типа на другие.

Следующая причина обусловлена влиянием, которое дисплеи оказывают на качество интерфейса - средства общения между человеком и машиной, - обеспечивая максимальные удобства для пользователя. Новые, удобные для пользователя системы построены в основном на подходе WYSIWYG (аббревиатура от английского выражения «Whatyouseeiswhatyouget» - «Что видите, то и имеете»), в соответствии с которым изображение на экране должно быть как можно более похожим на то, которое в результате печатается.

Большинство традиционных приложений машинной графики являются двумерными. В последнее время отмечается возрастающий коммерческий интерес к трехмерным приложениям. Он вызван значительным прогрессом в решении двух взаимосвязанных проблем: моделирования трехмерных сцен и построения как можно более реалистичного изображения. Например, в имитаторах полета особое значение придается времени реакции на команды, вводимые пилотом и инструктором. Чтобы создавалась иллюзия плавного движения, имитатор должен порождать чрезвычайно реалистичную картину динамически изменяющегося «мира» с частотой как минимум 30 кадров в секунду. В противоположность этому изображения, применяемые в рекламе и индустрии развлечений, вычисляют автономно, нередко в течение часов, с целью достичь максимального реализма или произвести сильное впечатление.

Развитие компьютерной графики, особенно на ее начальных этапах, в первую очередь связано с развитием технических средств и в особенности дисплеев:

• - произвольное сканирование луча;
• - растровое сканирование луча;
• - запоминающие трубки;
• - плазменная панель;
• - жидкокристаллические индикаторы;
• - электролюминисцентные индикаторы;
• - дисплеи с эмиссией полем.

Произвольное сканирование луча. Дисплейная графика появилась, как попытка использовать электроннолучевые трубки (ЭЛТ) с произвольным сканированием луча для вывода изображения из ЭВМ. Как пишет Ньюменпо-видимому, первой машиной, где ЭЛТ использовалась в качестве устройства вывода была ЭВМ Whirlwind-I (Ураган-I), изготовленная в 1950г. в Массачусетском технологическом институте. С этого эксперимента начался этап развития векторных дисплеев (дисплеев с произвольным сканированием луча, каллиграфических дисплеев). На профессиональном жаргоне вектором называется отрезок прямой. Отсюда и происходит название «векторный дисплей».

При перемещении луча по экрану в точке, на которую попал луч, возбуждается свечение люминофора экрана. Это свечение достаточно быстро прекращается при перемещении луча в другую позицию (обычное время послесвечения - менее 0.1 с). Поэтому, для того чтобы изображение было постоянно видимым, приходится его перевыдавать (регенерировать изображение) 50 или 25 раз в секунду. Необходимость перевыдачи изображения требует сохранения его описания в специально выделенной памяти, называемой памятью регенерации. Само описание изображения называется дисплейным файлом. Понятно, что такой дисплей требует достаточно быстрого процессора для обработки дисплейного файла и управления перемещением луча по экрану.

Обычно серийные векторные дисплеи успевали 50 раз в секунду строить только около 3000-4000 отрезков. При большем числе отрезков изображение начинает мерцать, так как отрезки, построенные в начале очередного цикла, полностью погасают к тому моменту, когда будут строиться последние.

Другим недостатком векторных дисплеев является малое число градаций по яркости (обычно 2-4). Были разработаны, но не нашли широкого применения двух-трехцветные ЭЛТ, также обеспечивавшие несколько градаций яркости.

В векторных дисплеях легко стереть любой элемент изображения - достаточно при очередном цикле построения удалить стираемый элемент из дисплейного файла.

Текстовый диалог поддерживается с помощью алфавитно-цифровой клавиатуры. Косвенный графический диалог, как и во всех остальных дисплеях, осуществляется перемещением перекрестия (курсора) по экрану с помощью тех или иных средств управления перекрестием - координатных колес, управляющего рычага (джойстика), трекбола (шаровой рукоятки), планшета и т.д. Отличительной чертой векторных дисплеев является возможность непосредственного графического диалога, заключающаяся в простом указании с помощью светового пера объектов на экране (линий, символов и т.д.). Для этого достаточно с помощью фотодиода определить момент прорисовки и, следовательно, начала свечения люминофора любой части требуемого элемента.

Первые серийные векторные дисплеи за рубежом появились в конце 60-х годов.

Растровое сканирование луча.

Прогресс в технологии микроэлектроники привел к тому, с середины 70-х годов подавляющее распространение получили дисплеи с растровым сканированием луча.

Запоминающие трубки.

В конце 60-х годов появилась запоминающая ЭЛТ, которая способна достаточно длительное время (до часа) прямо на экране хранить построенное изображение. Следовательно, не обязательна память регенерации и не нужен быстрый процессор для выполнения регенерации изображения. Стирание на таком дисплее возможно только для всей картинки в целом. Сложность изображения практически не ограничена. Разрешение, достигнутое на дисплеях на запоминающей трубке, такое же, как и на векторных или выше - до 4096 точек.

Текстовый диалог поддерживается с помощью алфавитно-цифровой клавиатуры, косвенный графический диалог осуществляется перемещением перекрестия по экрану обычно с помощью координатных колес.

Появление таких дисплеев с одной стороны способствовало широкому распространению компьютерной графики, с другой стороны представляло собой определенный регресс, так как распространялась сравнительно низкокачественная и низкоскоростная, не слишком интерактивная графика.

Плазменная панель.

В 1966г. была изобретена плазменная панель, которую упрощенно можно представить как матрицу из маленьких разноцветных неоновых лампочек, каждая из которых включается независимо и может светиться с регулируемой яркостью. Ясно, что системы отклонения не нужно, не обязательна также и память регенерации, так как по напряжению на лампочке можно всегда определить горит она ли нет, т.е. есть или нет изображение в данной точке. В определенном смысле эти дисплеи объединяют в себе многие полезные свойства векторных и растровых устройств. К недостаткам следует отнести большую стоимость, недостаточно высокое разрешение и большое напряжение питания. В целом эти дисплеи не нашли широкого распространения.

Жидкокристаллические индикаторы. Дисплеи на жидкокристаллических индикаторах работают аналогично индикаторам в электронных часах, но, конечно, изображение состоит не из нескольких сегментов, а из большого числа отдельно управляемых точек. Эти дисплеи имеют наименьшие габариты и энергопотребление, поэтому широко используются в портативных компьютерах несмотря на меньшее разрешение, меньшую контрастность и заметно большую цену, чем для растровых дисплеев на ЭЛТ.

Электролюминисцентные индикаторы. Наиболее высокие яркость, контрастность, рабочий температурный диапазон и прочность имеют дисплеи на электролюминисцентных индикаторах. Благодаря достижениям в технологии они стали доступны для применения не только в дорогих высококлассных системах, но и в общепромышленных системах. Работа таких дисплеев основана на свечении люминофора под воздействием относительно высокого переменного напряжения, прикладываемого к взаимноперпендикулярным наборам электродов, между которыми находится люминофор.

Дисплеи с эмиссией полем. Дисплеи на электронно-лучевых трубках, несмотря на их относительную дешевизну и широкое распространение, механически непрочны, требуют высокого напряжения питания, потребляют большую мощность, имеют большие габариты и ограниченный срок службы, связанный с потерей эмиссии катодами. Одним из методов устранения указанных недостатков, является создание плоских дисплеев с эмиссией полем с холодных катодов в виде сильно заостренных микроигл.

Таким образом, стартовав в 1950г., компьютерная графика к настоящему времени прошла путь от экзотических экспериментов до одного из важнейших, всепроникающих инструментов современной цивилизации, начиная от научных исследований, автоматизации проектирования и изготовления, бизнеса, медицины, экологии, средств массовой информации, досуга и кончая бытовым оборудованием.

На сегодняшний день нет ни одной области в деятельности человека, где бы не применялась компьютерная графика.

Практически ни один фильм не обходится без нее, не говоря уже о рекламе, издательском деле, анимации и видеоиграх. Число виртуальных галерей и развлекательных парков быстро растет. А с приходом автоматических пилотируемых аппаратов компьютерная графика стала использоваться даже в космической отрасли.

Основные этапы в истории развития

"Классическая" векторная графика до сих пор используется в различных приложениях бизнеса, включая разработку концепции, тестирование и создание новых продуктов. Можно считать, что первые системы компьютерной графики появились вместе с первыми цифровыми компьютерами.

Сейчас ее рассматривают как средство, обеспечивающее мощную взаимосвязь между человеком и компьютером, заставляя компьютер говорить с человеком на языке изображений.

Прошло несколько лет, и компьютерная графика стала основным средством связи между человеком и компьютером, постоянно расширяющим сферы своего применения. Проект "Вихрь" Массачусетского технологического института был отмечен как начало эры компьютерной графики. "Вихрь" стал основой создания опытного образца командноуправляемой системы воздушной защиты, разработанной как средство преобразования данных, полученных от радара, в наглядную форму.

В конце 60-х - начале 70-х в области компьютерной графики начали работать новые фирмы. Если ранее для выполнения каких-либо работ покупателям приходилось устанавливать уникальное оборудование и разрабатывать новое программное обеспечение, то с появлением разнообразных пакетов программ, облегчающих процесс создания изображений, чертежей и интерфейсов, ситуация существенно изменилась. За десятилетие системы стали настолько совершенны, что почти полностью изолировали пользователя от проблем, связанных с программным обеспечением.

В конце 70-х в компьютерной графике произошли значительные изменения. Появилась возможность создания растровых дисплеев, имеющих множество преимуществ: вывод больших массивов данных, устойчивое, не мерцающее изображение, работа с цветом. Впервые стало возможным получение цветовой гаммы. Растровая технология в конце 70-х стала явно доминирующей. Наиболее знаменательным событием в области компьютерной графики стало создание конце 70-х персонального компьютера.

В 1977 году компания Apple создала Apple-II . Появление этого устройства вызывало смешанные чувства: графика была ужасной, а процессоры медленными. Однако персональные компьютеры стимулировали процесс разработки периферийных устройств. Конечно, персональные компьютеры развивались как важная часть машинной графики, особенно с появлением в 1984 году модели Apple Macintosh с их графическим интерфейсом пользователя. Первоначально областью применения персонального компьютера были не графические приложения, а работа с текстовыми процессорами и электронными таблицами, но его возможности как графического устройства побуждали к разработке относительно недорогих программ как в области CAD/CAM , так и в более общих областях бизнеса и искусства.

К концу 80-х программное обеспечение имелось для всех сфер применения: от комплексов управления до настольных издательств. В конце 80-х возникло новое направление рынка на развитие аппаратных и программных систем сканирования, автоматической оцифровки. Оригинальный толчок в таких системах должна была создать магическая машина Ozalid , которая бы сканировала и автоматически векторизовала чертеж на бумаге, преобразовывая его в стандартные форматы.

Однако акцент сдвинулся в сторону обработки, хранения и передачи сканируемых пиксельных изображений.

В 90-х стираются отличия между компьютерной графикой и обработкой изображения. Машинная графика часто имеет дело с векторными данными, а основой для обработки изображений является пиксельная информация. Еще несколько лет назад каждый пользователь требовал рабочую станцию с уникальной архитектурой, а сейчас процессоры рабочих станций имеют быстродействие, достаточное для того, чтобы управлять как векторной, так и растровой информацией.

Кроме того, появляется возможность работы с видео. Прибавьте аудио возможности, и вы получите компьютерную среду мультимедиа. Возрастающий потенциал персональных компьютеров и их громадное число - порядка 100 миллионов - обеспечивает устойчивый рост индустрии в отрасли. Графика все шире проникает в бизнес - сегодня фактически нет документов, созданных без использования какого-либо графического элемента.

Художники, архитекторы и дизайнеры уже не мыслят своей работы без использования компьютерной графики. Трехмерная графика позволяет смоделировать архитектурный объект и позволяет оценить его достоинства более объективно, чем это возможно сделать на основе чертежей или макетов. Дизайнер по интерьерам сейчас может предложить заказчику почти фотографическое изображение его будущего жилья, тогда как раньше, возможно было довольствоваться только эскизами.

Коротко векторных изображениях

Особенно часто в повседневной жизни мы сталкиваемся с векторными изображениями . Почти на любом изделии есть логотип компании-изготовителя. Разрабатывается логотип в векторах. Но нельзя и переоценивать возможности компьютера. Ведь это всего лишь инструмент, каким бы совершенным он ни был. Компьютер лишь облегчает работу человека с графическими изображениями, но не создает их. Сначала можно было создавать лишь простые векторные объекты - изображения, состоящие из, так называемых, «векторов» - функций, которые позволяют вычислить положение точки на экране или бумаге. Например, функция, графиком которой является круг, прямая линия или другие более сложные кривые.

С развитием компьютерной техники и технологий появилось множество способов выполнения графических изображений. Примерно в 1995 году в России появились свои разработчики мультимедиа программ, зародились электронные издательства. Качественный уровень программных продуктов, выполненных российскими художниками и программистами не уступал, а иногда и превосходил качество программ зарубежных авторов. Ещё одним направлением современной компьютерной графики стал «Веб-Дизайн». С 1995 года во всём мире наблюдается развёртывание глобальной мировой компьютерной сети - Интернет.

Интернет является самым большим в мире хранилищем информации и связывает сегодня почти 80% всех компьютерных систем мира. И сегодня Интернет стал новым направлением для компьютерных художников-дизайнеров. По своему жанру он очень близок к книжной и журнальной графике. Однако, художественная графика, предназначенная для Интернет, должна быть лаконична. Это связано, прежде всего, с ограничениями в скорости передачи данных по телефонным и кабельным сетям, через которые осуществляется связь между компьютерами. Однако этого вполне достаточно для того, чтобы осуществлять передачу видеоданных.

Изучив материал данной главы, студент должен:

знать

• историю развития программных средств для работы с графикой;
• области применения компьютерной графики;
• классификацию компьютерной графики, типы представления графической информации;
• основные виды описания графики, их достоинства и недостатки;

уметь

• разбираться в графических форматах;
• ориентироваться в среде различной цифровой графики и оптимально ее использовать;
• применять полученные знания для освоения графических программ;

владеть

• необходимой терминологией;
• сведениями, используемыми в практической работе с цифровыми изображениями.

Понятие, история развития, области применения и виды компьютерной графики

Понятие и история компьютерной графики

Компьютерная графика (машинная, цифровая графика) – область деятельности, в которой компьютеры используются в качестве инструмента для создания изображений, а также для обработки визуальной информации, полученной из реального мира. Также компьютерной графикой называют и результат этой деятельности.

История компьютерной графики. Первые вычислительные машины не имели специальных средств для работы с графикой, однако уже использовались для получения и обработки изображений. Программируя память первых электронных машин, построенную на основе матрицы ламп, можно было получать узоры.

В 1961 г. программист С. Рассел возглавил проект по созданию первой компьютерной игры с графикой. Игра Spacewar была создана на машине PDP-1.

В 1963 г. американский ученый Айвен Сазерленд создал программноаппаратный комплекс Sketchpad , который позволял рисовать точки, линии и окружности на трубке цифровым пером (световое перо (англ. light реп ) – один из инструментов ввода графических данных в компьютер, разновидность манипуляторов). Поддерживались базовые действия с примитивами – перемещение, копирование и др. По сути, это был первый векторный редактор , реализованный на компьютере. Также программу можно назвать первым графическим интерфейсом, причем она являлась таковой еще до появления самого термина.

В середине 1960-х гг. появились разработки в промышленных приложениях компьютерной графики. Так, под руководством Т. Мофетта и Н. Тейлора фирма Itek разработала цифровую электронную чертежную машину. В 1964 г. General Motors представила систему автоматизированного проектирования DAC-1, разработанную совместно с IBM.

В 1964 г. группой под руководством II. II. Константинова была создана компьютерная математическая модель движения кошки. Машина БЭСМ-4, выполняя написанную программу решения дифференциальных уравнений, рисовала мультфильм "Кошечка", который для своего времени являлся прорывом. Для визуализации использовался алфавитно-цифровой принтер.

В 1968 г. существенного прогресса компьютерная графика достигла с появлением возможности запоминать изображения и выводить их на компьютерном дисплее, электронно-лучевой трубке.

Области применения цифровой графики

Научная графика – первые компьютеры использовались лишь для решения научных и производственных задач. Чтобы лучше представить полученные результаты, производилась их графическая обработка, строились графики, диаграммы, чертежи рассчитанных конструкций. Первые графики на машине получали в режиме символьной печати. Затем появились специальные устройства – графопостроители (плоттеры) для вычерчивания чертежей и графиков чернильным пером на бумаге. Современная научная компьютерная графика дает возможность проводить вычислительные эксперименты с наглядным представлением их результатов.

Деловая графика – область компьютерной графики, предназначенная для наглядного представления различных показателей работы учреждений. Плановые показатели, отчетная документация, статистические сводки – для них с помощью компьютерной графики создаются иллюстративные материалы. Программные средства деловой графики включаются в состав электронных таблиц.

Конструкторская графика используется в работе инженеров-конструкторов, архитекторов, изобретателей новой техники. Этот вид компьютерной графики является обязательным элементом САПР (систем автоматизации проектирования). Средствами конструкторской графики можно получать как плоские изображения (проекции, сечения), так и пространственные трехмерные изображения.

Иллюстративная графика – рисование, черчение, моделирование на экране компьютера. Пакеты иллюстративной графики относятся к прикладному программному обеспечению общего назначения. Программные средства иллюстративной графики называются графическими редакторами.

Художественная и рекламная графика популярна во многом благодаря развитию фотографии, рекламы и телевидения. С помощью компьютера создаются печатные материалы, различного рода рекламная продукция, мультфильмы, компьютерные игры, интерактивные и видеоуроки, слайд- и видеопрезентации. Кроме графических редакторов, для этих целей используются графические пакеты, требующие больших ресурсов компьютера по быстродействию и памяти. Отличительной особенностью этих графических пакетов является возможность создания реалистических изображений и движущихся картинок. Получение рисунков трехмерных объектов, их повороты, приближения, удаления, деформации связаны с большим объемом вычислений. Передача освещенности объекта в зависимости от положения источника света, расположения теней, фактуры поверхности требует расчетов, учитывающих законы оптики.

Компьютерная анимация – создание движущихся изображений. Художник создает на экране рисунки начального и конечного положения движущихся объектов, все промежуточные состояния рассчитывает и изображает компьютер, выполняя расчеты, опирающиеся на математическое описание данного вида движения. Полученные рисунки, выводимые последовательно на экран с определенной частотой, создают иллюзию движения.

Мультимедиа – объединение высококачественного изображения на экране компьютера со звуковым сопровождением. Наибольшее распространение системы мультимедиа получили в области обучения, рекламы, развлечений.

Научная работа. Компьютерная графика является также одной из областей научной деятельности. В области компьютерной графики защищаются диссертации, а также проводятся различные конференции. На факультете вычислительной математики и кибернетики (ВМиК) МГУ им. М. В. Ломоносова действует лаборатория компьютерной графики.

Виды компьютерной графики

По способам задания изображений компьютерную графику можно разделить на категории. Три основных категории – растровая, векторная и трехмерная графика.

Двумерная графика (2D – от англ. two dimensions – два измерения) – это изображение на плоскости, имеющее длину и ширину. Двумерная компьютерная графика классифицируется по типу представления графической информации и следующими из него алгоритмами обработки изображений. Обычно компьютерную графику разделяют на векторную и растровую, хотя обособляют еще и фрактальный тип представления изображений.

В растровой графике всякое изображение рассматривается как совокупность точек разного цвета. В векторной графике изображение является совокупностью простых элементов: прямых линий, дуг, окружностей, эллипсов, прямоугольников, закрасок и др., которые называются графическими примитивами.

• Примитив (графический примитив) – простейшая геометрическая фигура.
• Векторный редактор – программа для создания и редактирования векторных изображений.
• Фрактал (от лат. fractus – состоящий из фрагментов) – структура, формирующаяся из нерегулярных отдельных элементов, которые подобны целому. Описать такой объект можно всего лишь несколькими математическими уравнениями.

Ежегодно 3 декабря отмечается Всемирный день компьютерной графики. Дата выбрана не просто так: этот день в англоязычном варианте - 3 December, то есть получается единственное в своем роде ключевое сочетание - 3December, или 3D.

Предложение о создании праздника поступило в 1998 году от американской компании Alias Systems (поглощена Autodesk), разработчика Maya, пакета трехмерного моделирования и анимации. Затем к событию подключились такие гиганты, как Adobe Systems, NVIDIA, Wacom и пр.

Вначале праздник отмечали только те, кто напрямую связан с созданием трехмерных изображений, чуть позже примкнули все прочие сферы, имеющие отношение к компьютерной графике в целом. Русскоязычное сообщество называет событие по-своему - "День 3D-шника".

Крупные отраслевые игроки всю первую декаду декабря отдают проведению всевозможных мероприятий, презентаций, семинаров и мастер-классов. Мы в свою очередь попробуем обрисовать общую картину становления и развития компьютерной графики. На полноту описания истории претендовать нет смысла, но обозначить основные вехи, предоставив поверхностный взгляд, все же можно.

1950-е годы: от текстовых изображений к графической консоли

В середине прошлого века компьютеры были не просто большими, а огромными, и драгоценное машинное время мейнфреймов использовалось исключительно для военных и промышленных нужд. Однако кому-то из заскучавших программистов пришла в голову идея эксплуатации печатающих устройств для вывода картинок и фотографий. Все просто: разница в плотности алфавитно-цифровых знаков вполне пригодна для создания изображений на бумаге - пусть даже они и получаются мозаичными, но вполне себе приемлемы для восприятия зрением на расстоянии.

ASCII-графика известна с конца XIX в., когда машинистки соревновались за лучший рисунок, выполненный на печатной машинке.
Иллюстрация: jackbrummet.blogspot.com.

В 1950 году Бенджамин Лапоски (Ben Laposky), математик, художник и чертежник, начал экспериментировать с рисованием на осциллографе. Танец света создавался сложнейшими настройками на этом электронно-лучевом приборе. Для запечатления изображений применялись высокоскоростная фотография и особые объективы, позже были добавлены пигментированные фильтры, наполнявшие снимки цветом.

Бен Лапоски рядом с осциллографом, которому он нашел необычное применение.
Иллюстрация: Sanford Museum.

Позже "осциллоны" стали цветными благодаря использованию светофильтров.
Иллюстрация: Sanford Museum.

"Визуальные ритмы и гармонии электронного абстрактного искусства" Лапоски прекрасно сочетались с аудиорядами, синтезированными Робертом Мугом (Robert Moog), пионером электронной музыки.

В 1951 году в Массачусетском технологическом институте (МТИ) для Военно-воздушных сил США было завершено строительство Whirlwind , первого компьютера с видеотерминалом (фактически осциллографом), выводящим данные в реальном масштабе времени.

Компьютер Whirlwind: память на магнитных сердечниках (слева) и операторская консоль.
Иллюстрация: Wikimedia.

В 1952 году появилась первая наглядная компьютерная игра - OXO , или крестики-нолики, разработанная Александром Дугласом (Alexander Douglas) для компьютера EDSAC в рамках кандидатской диссертации как пример взаимодействия человека с машиной. Ввод данных осуществлялся дисковым номеронабирателем, вывод выполнялся матричной электронно-лучевой трубкой.

Крестики-нолики OXO в эмуляторе EDSAC для Mac OS X.
Иллюстрация: Wikimedia.

В 1955 году родилось световое перо . На кончике пера находится фотоэлемент, испускающий электронные импульсы и одновременно реагирующий на пиковое свечение, соответствующее моменту прохода электронного луча. Достаточно синхронизировать импульс с положением электронной пушки, чтобы определить, куда именно указывает перо.

Световые перья вовсю использовались в вычислительных терминалах образца 1960-х годов.

IBM 2250. Световое перо на тот момент выступало аналогом компьютерной мыши.
Иллюстрация: Wikimedia.

В 1957 году для компьютера SEAC образца 1950-го при Национальном бюро стандартов США команда под руководством Расселла Керша (Russell Kirsch) разработала барабанный сканер, при помощи которого была получена первая в мире цифровая фотография. Изображение, на котором запечатлен трехмесячный сын ученого, получилась размером 5×5 см в разрешении 176×176 точек. Компьютер самостоятельно вычленил контуры, сосчитал объекты, распознал символы и отобразил цифровое изображение на экране осциллографа.

В 1958 году в МТИ запущен компьютер Lincoln TX-2 , впервые использующий графическую консоль. С этого момента компьютерная графика обретает настоящее приложение методик и наработок - векторный дисплей.

Рабочее место TX-2.
Иллюстрация: МТИ.

Приблизительно в это же время Джон Уитни (John Whitney), пионер компьютерной мультипликации, экспериментировал с механическим аналоговым компьютером, созданным им же самим из прибора управления зенитным огнем - предиктора Керрисона . Результатом совместной работы с дизайнером Солом Бассом (Saul Bass) стала спирографическая заставка к фильму "Головокружение" Альфреда Хичкока образца 1958 года.

Внимание! У вас отключен JavaScript, ваш браузер не поддерживает HTML5, или установлена старая версия проигрывателя Adobe Flash Player.

1960-е годы: от "Альбома" к мультипликации

Считается, что термин "компьютерная графика" придумал в 1960 году Уильям Феттер (William Fetter), дизайнер из Boeing Aircraft, хотя сам он утверждает, будто авторство принадлежит его коллеге Верну Хадсону (Verne Hudson). На тот момент возникла нужда в средствах описания строения человеческого тела, причем одновременно с высокой точностью и в пригодном для изменения виде. Для решения поставленной задачи компьютерная графика подходила идеально.

"Человек Боинга" (Boeing Man). Компьютерная графика помогала здорово экономить время и силы в проектировании самолетов.
Иллюстрация: Boeing.

И хотя первые компьютерные игры уже были реализованы, первой настоящей видеоигрой следует считать "Звездные войны" (Spacewar!). Игрушку воплотил в 1962 году студент МТИ Стив Рассел (Steve Russel) вместе с коллегами, и она запускалась на компьютере DEC PDP-1 , используя пресловутый осциллограф в качестве дисплея.

В 1963 году Айвен Сазерленд (Ivan Sutherland), другой учащийся МТИ, написал для TX-2 компьютерную программу "Альбом" (Sketchpad). Она, на тот момент по праву революционная, дала машинной графике огромный толчок вперед, послужила прообразом для систем автоматизированного проектирования (САПР), впервые описала элементы современных пользовательских интерфейсов и объектно ориентированных языков программирования.

"Альбом" посредством светового пера позволял рисовать на дисплее векторные фигуры, сохранять их, обращаться к готовым примитивам. Ключевым моментом было использование концепции "объектов" и "экземпляров": эталонный чертеж можно было многократно копировать, меняя каждый из эскизов по своему вкусу, и, если вносились правки в исходный чертеж, соответствующим образом перестраивались его дубликаты.

Айвен Сазерленд демонстрирует "Альбом" на графической консоли TX-2. За свою программу он в 1988 году получил премию имени Алана Тьюринга, которая в компьютерном мире по значимости сравнима с Нобелевской.
Иллюстрация: МТИ.

Еще одним важным изобретением "Альбома" были инструменты автоматического рисования геометрических фигур: достаточно указать местоположение и размеры, к примеру, квадрата, чтобы он был нарисован - заботиться о точных прямых углах не приходилось.

Тогда же Эдвард Зейджек (Edward Zajac), ученый из Bell Telephone Laboratories, подготовил на мейнфрейме IBM 7090 анимационный фильм "Моделирование двухгироскопной гравитационной управляющей системы", в котором показал пространственное перемещение спутника, вращающегося на орбите Земли.

Внимание! У вас отключен JavaScript, ваш браузер не поддерживает HTML5, или установлена старая версия проигрывателя Adobe Flash Player.

Параллельно Кен Ноултон (Ken Knowlton), сотрудник той же компании, придумал BeFlix (от Bell Flicks), первый специализированный язык компьютерной анимации на основе Фортрана. Он, работая с "графическими примитивами" вроде рисования линии, копирования области, заполнения зоны, масштабирования и пр., позволял создавать изображения с восемью полутонами и разрешением 252×184 точек.

В период 1965-1971 годов на основе BeFlix режиссером-экспериментатором Стэном Вандербиком (Stan VanDerBeek) была создана серия мультипликаций Evans & Sutherland . Ее сформировали нам уже известный Айвен Сазерленд и Дэвид Эванс (David Evans), вплотную изучающий аспекты визуального взаимодействия компьютера с человеком.

Техническое оснащение созданной лаборатории, всесторонне сфокусировавшейся на вопросах создаваемых компьютерами изображений (CGI) - в том числе оборудования реального времени, ускорения трехмерной графики и создания принтерных языков, было достаточно мощным, чтобы привлечь целую когорту перспективных специалистов.

Так, среди примкнувших оказались Эдвин Кэтмелл (Edwin Catmull), который понял, что мультипликацию следует переложить на плечи компьютеров, Джон Уорнок (John Warnock), сооснователь Adobe Systems и разработчик концепции революционного в издательском деле языка описания страниц PostScript, Джеймс Кларк (James Clark), совместно основавший Silicon Graphics и Netscape Communications.

Эд Кэтмелл, его считают отцом компьютерной мультипликации. Сейчас он занимает пост президента Walt Disney и Pixar, мирового лидера по практическому внедрению компьютерной графики в киноиндустрию.
Иллюстрация: Flickr/Jeff Heusser.

В 1968 году в СССР снят мультфильм "Кошечка" , ставший первым, в котором появился анимированный компьютером персонаж.

Группа специалистов под руководством математика Николая Константинова обратилась к вычислительной машине БЭСМ-4 , которая с достаточной степенью реализма моделировала движения кошки через систему дифференциальных уравнений второго порядка. Каждый кадр выводился на печатающее устройство, затем все они были объединены в ленту.

Внимание! У вас отключен JavaScript, ваш браузер не поддерживает HTML5, или установлена старая версия проигрывателя Adobe Flash Player.

Во второй части погружения в историю компьютерной графики мы разберем вопросы алгоритмов.!

Научная графика

Первые компьютеры использовались лишь для решения научных и производственных задач. Чтобы лучше понять или представить полученные результаты, производили их графическую обработку (строили графики, диаграммы, чертежи рассчитанных конструкций). Первые графики на машине получали в режиме символьной печати.

Деловая графика

Деловая графика - область компьютерной графики, предназначенная для наглядного представления различных показателей работы учреждений. Плановые показатели, отчетная документация, статистические сводки - вот объекты, для которых с помощью деловой графики создаются иллюстративные материалы. Программные средства деловой графики включаются в состав электронных таблиц.

Конструкторская графика

Используется в работе инженеров-конструкторов, архитекторов, изобретателей новой техники. Этот вид компьютерной графики является обязательным элементом САПР (систем автоматизации проектирования). Средствами конструкторской графики можно получать как плоские изображения (проекции, сечения), так и пространственные трехмерные изображения. Этот вид компьютерной графики является обязательным элементом САПР.

Иллюстративная графика

Произвольное рисование и черчение с помощью компьютера. Пакеты иллюстративной графики относятся к прикладному программному обеспечению общего назначения. Простейшие программные средства иллюстративной графики называются графическими редакторами.

Стала популярной во многом благодаря телевидению. С помощью компьютера создаются рекламные ролики, мультфильмы, компьютерные игры, видеоуроки, видеопрезентации и т.д. Графические пакеты для этих целей требуют больших ресурсов компьютера по быстродействию и памяти. Отличительной особенностью этих графических пакетов является возможность создания реалистических изображений и "движущихся картинок".

Получение рисунков трехмерных объектов, их повороты, приближения, удаления, деформации связано с большим объемом вычислений. Передача освещенности объекта в зависимости от положения источника света, от расположения теней, от фактуры поверхности, требует расчетов, учитывающих законы оптики.

Компьютерная анимация

Получение движущегося изображения на экране дисплея. Есть много программных продуктов, в которых художник создает на экране рисунки начального и конечного положения движущихся объектов, все промежуточные состояния рассчитывает и изображает компьютер, выполняя расчеты, опирающиеся на математическое описание данного вида движения. Полученные рисунки, выводимые последовательно на экран с определенной частотой, создают иллюзию движения.

Мультимедиа - это объединение высококачественного изображения на экране монитора со звуковым сопровождением. Наибольшее распространение системы мультимедиа получили в области обучения, рекламы, кино, развлечений и т.д.

Графика для Интернета

Появление глобальной сети Интернет привело к тому, что компьютерная графика стала неотъемлемой частью в ней. Все больше совершенствуются способы передачи визуальной информации, разрабатываются более совершенные графические форматы, ощутимо желание использовать трехмерную графику, анимацию, весь спектр мультимедиа.

История развития компьютерной графики

Исторически первыми интерактивными системами считаются системы автоматизированного проектирования (САПР) . Пример: AutoCAD, КОМПАС и т.п.
Сейчас становятся все более популярными геоинформационные системы (ГИС) . Это относительно новая для массовых пользователей разновидность систем интерактивной компьютерной графики.
Типичными для любой ГИС являются такие операции - ввод и редактирование объектов с учетом их расположения на поверхности Земли, формирование разнообразных цифровых моделей, запись в базы данных, выполнение разнообразных запросов к базам данных. Важной операцией является анализ с учетом пространственных, топологических отношений множества объектов, расположенных на некоторой территории.

Виды компьютерной графики

Компьютерная графика - раздел информатики, который изучает средства и способы создания и обработки графических изображений при помощт компьютерной техники. Несмотря на то, что для работы с компьютерной графикой существует множество классов программного обеспечения, различают четыре вида компьютерной графики. Это растровая графика, векторная графика, трёхмерная и фрактальная графика. Они отличаются принципами формирования изображения при отображении на экране монитора или при печати на бумаге.

Растровую графику применяют при разработке электронных (мультимедийных) и полиграфических изданий. Иллюстрации, выполненные средствами растровой графики, редко создают вручную с помощью компьютерных программ. Чаще для этой цели используют отсканированные иллюстрации, подготовленные художником на бумаге, или фотографии. В последнее время для ввода растровых изображений в компьютер нашли широкое применение цифровые фото- и видеокамеры. Соответственно, большинство графических редакторов, предназначенных для работы с растровыми иллюстрациями, ориентированы не столько на создание изображений, сколько на их обработку. В Интернете применяют растровые иллюстрации в тех случаях, когда надо передать полную гамму оттенклв цветного изображения.

Программные средства для работы с векторной графикой наоборот предназначены, в первую очередь, для создания иллюстраций и в меньшей степени для их обработки. Такие средства широко используют в рекламных агентствах, дизайнерских бюро, редакциях и издательствах. Оформительские работы, основанные на применении шрифтов и простейших геометрических элементов, решаются средствами векторной графики намного проще. Существуют примеры высокохудожественных произведений, созданных средствами векторной графики, но они скорее исключение, чем правило, поскольку художественная подготовка иллюстраций средствами векторной графики чрезвычайно сложна.

Трёхмерная графика широко используется в инженерном программировании, компьютерном моделировании физических объектов и процессов, в мультипликации, кинемотографии и компьютерных играх.

Программные средства для работы с фрактальной графикой предназначены для автоматической генерации изображений путем математических расчетов. Создание фрактальной художественной композиции состоит не в рисовании или оформлении, а в программировании. Фрактальную графику редко применяют для создания печатных или электронных документов, но ее часто используют в развлекательных программах.

Растровая графика

Основным (наименьшим) элементом растрового изображения является точка. Если изображение экранное, то эта точка называется пикселом. Каждый пиксел растрового изображения имеет свойства: размещение и цвет. Чем больше количество пикселей и чем меньше их размеры, тем лучше выглядит изображение. Большие объемы данных - это основная проблема при использовании растровых изображений. Для активных работ с большеразмерными иллюстрациями типа журнальной полосы требуются компьютеры с исключительно большими размерами оперативной памяти (128 Мбайт и более). Разумеется, такие компьютеры должны иметь и высокопроизводительные процессоры. Второй недостаток растровых изображений связан с невозможностью их увеличения для рассмотрения деталей. Поскольку изображение состоит из точек, то увеличение изображения приводит только к тому, что эти точки становятся крупнее и напоминают мозаику. Никаких дополнительных деталей при увеличении растрового изображения рассмотреть не удается. Более того, увеличение точек растра визуально искажает иллюстрацию и делает её грубой. Этот эффект называется пикселизацией.

Векторная графика

Как в растровой графике основным элементом изображения является точка, так в векторной графике основным элементом изображения является линия (при этом не важно, прямая это линия или кривая). Разумеется, в растровой графике тоже существуют линии, но там они рассматриваются как комбинации точек. Для каждой точки линии в растровой графике отводится одна или несколько ячеек памяти (чем больше цветов могут иметь точки, тем больше ячеек им выделяется). Соответственно, чем длиннее растровая линия, тем больше памяти она занимает. В векторной графике объем памяти, занимаемый линией, не зависит от размеров линии, поскольку линия представляется в виде формулы, а точнее говоря, в виде нескольких параметров. Что бы мы ни делали с этой линией, меняются только ее параметры, хранящиеся в ячейках памяти. Количество же ячеек остается неизменным для любой линии.

Линия - это элементарный объект векторной графики. Все, что есть в векторной иллюстрации, состоит из линий. Простейшие объекты объединяются в более сложные, например объект четырехугольник можно рассматривать как четыре связанные линии, а объект куб еще более сложен: его можно рассматривать либо как двенадцать связанных линий, либо как шесть связанных четырехугольников. Из-за такого подхода векторную графику часто называют объектно-ориентированной графикой. Мы сказали, что объекты векторной графики хранятся в памяти в виде набора параметров, но не надо забывать и о том, что на экран все изображения все равно выводятся в виде точек (просто потому, что экран так устроен). Перед выводом на экран каждого объекта программа производит вычисления координат экранных точек в изображении объекта, поэтому векторную графику иногда называют вычисляемой графикой. Аналогичные вычисления производятся и при выводе объектов на принтер. Как и все объекты, линии имеют свойства. К этим свойствам относятся: форма линии, ее толщина, цвет, характер линии (сплошная, пунктирная и т.п.). Замкнутые линии имеют свойство заполнения. Внутренняя область замкнутого контура может быть заполнена цветом, текстурой, картой. Простейшая линия, если она не замкнута, имеет две вершины, которые называются узлами. Узлы тоже имеют свойстьа, от которых зависит, как выглядит вершина линии и как две линии сопрягаются между собой.