Отправной точкой компьютерной графики можно считать

Обновлено: 04.07.2024

Компьютерная графика - это область информатики, которая охватывает все стороны формирования изображений с помощью компьютера. Появившись в 1950-х годах, она поначалу давала возможность выводить лишь несколько десятков отрезков на экране. В наши дни средства компьютерной графики позволяют создавать реалистические изображения, не уступающие фотографическим снимкам. Создано разнообразное аппаратное и программное обеспечение для получения изображений самого различного вида и назначения - от простых чертежей до реалистических образов естественных объектов. Компьютерная графика используется практически во всех научных и инженерных дисциплинах для наглядности восприятия и передачи информации. Применение ее для подготовки демонстрационных слайдов уже считается нормой. Трехмерные изображения используются в медицине (компьютерная томография), картографии, полиграфии, геофизике, ядерной физике и других областях. Телевидение и другие отрасли индустрии развлечений используют анимационные средства компьютерной графики (компьютерные игры, фильмы). Общепринятой практикой считается также использование компьютерного моделирования при обучении пилотов и представителей других профессий (тренажеры). Знание основ компьютерной графики сейчас необходимо и инженеру, и ученому.

Конечным результатом применения средств компьютерной графики является изображение, которое может использоваться для различных целей. Поскольку наибольшее количество информации человек получает с помощью зрения, уже в древние времена появились схемы и карты, используемые при строительстве, в географии и в астрономии.

Современная компьютерная графика - это достаточно сложная, основательно проработанная и разнообразная научно-техническая дисциплина. Некоторые ее разделы , такие как геометрические преобразования, способы описания кривых и поверхностей, к настоящему времени уже исследованы достаточно полно. Ряд областей продолжает активно развиваться: методы растрового сканирования, удаление невидимых линий и поверхностей, моделирование цвета и освещенности, текстурирование, создание эффекта прозрачности и полупрозрачности и др.

Сфера применения компьютерной графики включает четыре основных области.

1. Отображение информации

Проблема представления накопленной информации (например, данных о климатических изменениях за продолжительный период, о динамике популяций животного мира, об экологическом состоянии различных регионов и т.п.) лучше всего может быть решена посредством графического отображения.

Ни одна из областей современной науки не обходится без графического представления информации. Помимо визуализации результатов экспериментов и анализа данных натурных наблюдений существует обширная область математического моделирования процессов и явлений, которая просто немыслима без графического вывода. Например, описать процессы, протекающие в атмосфере или океане, без соответствующих наглядных картин течений или полей температуры практически невозможно. В геологии в результате обработки трехмерных натурных данных можно получить геометрию пластов, залегающих на большой глубине.

В медицине в настоящее время широко используются методы диагностики, использующие компьютерную визуализацию внутренних органов человека. Томография (в частности, ультразвуковое исследование) позволяет получить трехмерную информацию, которая затем подвергается математической обработке и выводится на экран. Помимо этого применяется и двумерная графика: энцефалограммы, миограммы, выводимые на экран компьютера или графопостроитель .

2. Проектирование

В строительстве и технике чертежи давно представляют собой основу проектирования новых сооружений или изделий. Процесс проектирования с необходимостью является итеративным, т.е. конструктор перебирает множество вариантов с целью выбора оптимального по каким-либо параметрам. Не последнюю роль в этом играют требования заказчика, который не всегда четко представляет себе конечную цель и технические возможности. Построение предварительных макетов - достаточно долгое и дорогое дело. Сегодня существуют развитые программные средства автоматизации проектно-конструкторских работ (САПР), позволяющие быстро создавать чертежи объектов, выполнять прочностные расчеты и т.п. Они дают возможность не только изобразить проекции изделия, но и рассмотреть его в объемном виде с различных сторон. Такие средства также чрезвычайно полезны для дизайнеров интерьера, ландшафта.

3. Моделирование

Под моделированием в данном случае понимается имитация различного рода ситуаций, возникающих, например, при полете самолета или космического аппарата, движении автомобиля и т.п. В английском языке это лучше всего передается термином simulation. Но моделирование используется не только при создании различного рода тренажеров. В телевизионной рекламе, в научно-популярных и других фильмах теперь синтезируются движущиеся объекты, визуально мало уступающие тем, которые могут быть получены с помощью кинокамеры. Кроме того, компьютерная графика предоставила киноиндустрии возможности создания спецэффектов, которые в прежние годы были попросту невозможны. В последние годы широко распространилась еще одна сфера применения компьютерной графики - создание виртуальной реальности.

4. Графический пользовательский интерфейс

На раннем этапе использования дисплеев как одного из устройств компьютерного вывода информации диалог "человек-компьютер" в основном осуществлялся в алфавитно-цифровом виде. Теперь же практически все системы программирования применяют графический интерфейс. Особенно впечатляюще выглядят разработки в области сети Internet. Существует множество различных программ-браузеров, реализующих в том или ином виде средства общения в сети, без которых доступ к ней трудно себе представить. Эти программы работают в различных операционных средах, но реализуют, по существу, одни и те же функции, включающие окна, баннеры, анимацию и т.д.

В современной компьютерной графике можно выделить следующие основные направления: изобразительная компьютерная графика, обработка и анализ изображений, анализ сцен (перцептивная компьютерная графика), компьютерная графика для научных абстракций (когнитивная компьютерная графика, т.е. графика, способствующая познанию).

Изобразительная компьютерная графика своим предметом имеет синтезированные изображения. Основные виды задач, которые она решает, сводятся к следующим:

построение модели объекта и формирование изображения;
преобразование модели и изображения;
идентификация объекта и получение требуемой информации.

Обработка и анализ изображений касаются в основном дискретного (цифрового) представления фотографий и других изображений. Средства компьютерной графики здесь используются для:

повышения качества изображения;
оценки изображения - определения формы, местоположения, размеров и других параметров требуемых объектов;
распознавания образов - выделения и классификации свойств объектов (при обработке аэрокосмических снимков, вводе чертежей, в системах навигации, обнаружения и наведения).

Анализ сцен связан с исследованием абстрактных моделей графических объектов и взаимосвязей между ними. Объекты могут быть как синтезированными, так и выделенными на фотоснимках. К таким задачам относятся, например, моделирование "машинного зрения" (роботы), анализ рентгеновских снимков с выделением и отслеживанием интересующего объекта (внутреннего органа), разработка систем видеонаблюдения.

Когнитивная компьютерная графика - только формирующееся новое направление, пока еще недостаточно четко очерченное. Это - компьютерная графика для научных абстракций, способствующая рождению нового научного знания. Технической основой для нее являются мощные ЭВМ и высокопроизводительные средства визуализации.

Одним из наиболее ранних примеров использования когнитивной компьютерной графики является работа Ч.Страуса "Неожиданное применение ЭВМ в чистой математике" (ТИИЭР, т. 62, № 4, 1974, с.96-99). В ней показано, как для анализа сложных алгебраических кривых используется "n-мерная" доска на основе графического терминала. Пользуясь устройствами ввода, математик может легко получать геометрические изображения результатов направленного изменения параметров исследуемой зависимости. Он может также легко управлять текущими значениями параметров, "углубляя тем самым свое понимание роли вариаций этих параметров". В результате получено "несколько новых теорем и определены направления дальнейших исследований".

Результатами расчетов на первых компьютерах являлись длинные колонки чисел, напечатанных на бумаге.

После этого человек вручную производил графическую обработку результатов: чертил графики, диаграммы, чертежи. В таком виде результаты становились более понятными.

Возникла идея поручить графическую обработку самой машине. Программисты научились получать рисунки в режиме символьной печати. На бумажных листах с помощью звездочек, точек, крестиков, букв печатались графики функций, изображались физические процессы, получались художественные изображения. В редком компьютерном центре стены не украшались распечатками с портретами Эйнштейна, репродукциями Джоконды и другой машинной живописью.

Затем появились специальные устройства для графического вывода на бумагу – графопостроители (плоттеры). С помощью такого устройства на лист бумаги чернильным пером наносятся графические изображения: графики, диаграммы, технические чертежи и прочее. Для управления работой графопостроителей стали создавать специальное программное обеспечение.

Появление графического дисплея – настоящая революция в компьютерной графике.На экране стало возможным получать рисунки, чертежи в таком же виде, как на бумаге с помощью карандашей, красок, чертежных инструментов.

Рисунок из памяти компьютера может быть выведен не только на экран, но и на бумагу с помощью принтера.

В 1978 году компьютерную графику (КГ) называли "средством от неизвестной болезни". Сейчас ее рассматривалают как "средство от всех известных болезней", которое обеспечивает мощную взаимосвязь между человеком и компьютером, заставляя компьютер говорить с человеком на языке изображений. Прошло несколько лет, пока компьютерная графика стола основным средством связи между человеком и компьютером, постоянно расширяющим сферы своего применения.

Можно считать, что первые системы компьютерной графики появились вместе с первыми цифровыми компьютерами. Проект WHIRLWIND ("вихрь") Массачусетского технологического института был отмечен как начало эры КГ. Как отметил один из разработчиков WHIRLWIND Норм Тейлор, компьютер "содержал около четверти акра электроники (1000 кв.м) и имел дисплей". Комментатор Эдвард Мирроу, в том 1951 году провел первое "интервью" с компьютером в телевизионной программе. Тейлор заметил тогда: "Было ясно, что дисплеи привлекают внимание потенциальных пользователей, а машинное кодирование - нет

WHIRLWIND стал основой создания опытного образца командно-управляемой системы воздушной защиты, разработанной как средство преобразования данных, полученных от радара, в наглядную форму.

К середине 1960-х наступил период плодотворной работы и в промышленных приложениях КГ. Нод руководством Тирбера Мофетта и Нормана Тейлора фирма Itek разработала цифровую электронную чертежную машину. В 1964 году General Motors представила свою DAC-1 - систему автоматизированного проектирования, разработанную совместно с IBM. К октябрю 1966 года даже Wall Street Journal уже публиковал статьи о КГ.

В конце шестидесятых - начале семидесятых в области КГ 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 "под ключ" стали настолько совершенны, что почти полностью изолировали пользователя от проблем, связанных с программным обеспечением. Итогом десятилетия для покупателей стали "проблемно-ориентированные устройства", специально предназначенные для решения конкретной задачи.

В конце семидесятых в КГ произошли значительные изменения. Появилась возможность создания растровых дисплеев, имеющих множество преимуществ: вывод больших массивов данных, устойчивое, немерцающее изображение, работа с цветом и недорогие мониторы. Однако впервые стало возможным получение цветовой гаммы. Растровая технология в конце семидесятых стала явно доминирующей.

Возможно, наиболее знаменательным событием в области КГ было создание в конце семидесятых персонального компьютера. В 1977 году Commodore выпустила свой РЕТ (персональный электронный делопроизводитель), а компания Apple создала Apple-II. Появление этих устройств вызывало смешанные чувства: графика была ужасной, а процессоры медленными, как улитки. Однако ПК стимулировали процесс разработки периферийных устройств: недорогих графопостроителей и графических

Конечно, ПК развивались как важная часть машинной графики, особенно с появлением в 1984 году модели Apple Macintosh с их графическим интерфейсом пользователя. Первоначально областью применения ПК 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 издательских

В конце восьмидесятых 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, преобразуя его в стандартные форматы CAD/CAM. Однако, акцент сдвинулся в сторону обработки, хранения и передачи сканируемых пиксельных

В 90-х стираются отличия между КГ 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 аудиовозможности - и вы имеете компьютерную среду мультимедиа.

Все области применения - будь то инженерная и научная, бизнес и искусство/развлечения - являются сферой применения КГ. Возрастающий потенциал ПК и их громадное число - порядка 100 миллионов - обеспечивает устойчивый рост индустрии в данной отрасли.

Отправной точкой развития компьютерной графики можно считать 1930 год, когда в США нашим соотечественником Владимиром Зворыкиным, работавшим в компании “Вестингхаус” (Westinghouse), была изобретена электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), впервые позволяющая получать изображения на экране без использования механических движущихся частей.

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.

Началом эры собственно компьютерной графики можно считать декабрь 1951 года, когда в Массачусеттском технологическом институте (МТИ) для системы противовоздушной обороны военно-морского флота США был разработан первый дисплей для компьютера “Вихрь”. Изобретателем этого дисплея был инженер из МТИ Джей Форрестер.

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.

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.

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, 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.

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.

Одним из отцов-основателей компьютерной графики считается Айвен Сазерленд (Ivan Sotherland), который в 1962 году все в том же МТИ создал программу компьютерной графики под названием “Блокнот” (Sketchpad). Эта программа могла рисовать достаточно простые фигуры (точки, прямые, дуги окружностей), могла вращать фигуры на экране.

В 1963 году Айвен Сазерленд (Ivan Sutherland) написал компьютерную программу "Альбом" (Sketchpad). Она 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.

Под руководством Т. Мофетта и Н. Тейлора фирма Itek разработала цифровую электронную чертежную машину. В 1964 году General Motors представила систему автоматизированного проектирования DAC-1, разработанную совместно с IBM.

В 1965 году фирма IBM выпустила первый коммерческий графический терминал под названием IBM-2250.

Создание серии мультипликаций Poem Field.

В период 1965-1971 годов на основе BeFlix режиссером-экспериментатором Стэном Вандербиком (Stan VanDerBeek) была создана серия мультипликаций Poem Field. Анимация велась на мейнфрейме IBM 7094, записывалась микрофильмирующим аппаратом Stromberg-Carlson 4020, стоила тогда 500 долларов за минуту.

В 1967 году на базе Университета Юты организован исследовательский центр компьютерной графики мирового масштаба. Ее сформировали 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), было достаточно мощным, чтобы привлечь целую когорту перспективных специалистов.

Компьютерная графика — совокупность методов создания и редактирования изображений с помощью компьютеров и специального программного обеспечения. В наши дни компьютерная графика многими специалистами признается отдельным видом визуального и интерактивного искусства эпохи Постмодернизма.

Компьютерная графика — это результат внедрения в искусство новейших технологий обработки данных, позволяющих художнику без использования традиционных инструментов и материалов решать важные творческие задачи:

создавать всевозможные визуальные и анимационные эффекты;
изменять цвет и форму любого объекта;
создавать художественные образы с помощью линий, штриховки и пятен.

Виды компьютерной графики

Компьютерную графику по способам создания изображений разделяют на 2 основные разновидности: двухмерную (2D) и трехмерную (3D). В двухмерной графике изображения создаются на плоскости, а в трехмерной — в пространстве.

В двухмерной векторной графике каждое изображение представляет собой набор простых геометрических объектов (точек, прямых, окружностей, многоугольников) с основными параметрами (цветом и толщиной линий). В растровой графике образ состоит из мельчайших точек — пикселей с заданными показателями цвета, прозрачности и яркости.

При работе с 2D графикой художник часто использует специальное устройство — планшет. С его помощью он на плоской поверхности электронным пером — стилусом, как пером или кистью рисует изображение на рабочей поверхности.

Принцип работы с трехмерной графикой кардинально отличается от предыдущего. Здесь действия художника очень схожи с творчеством скульптора. Каждый объект сначала моделируется в специальном трехмерном редакторе, а готовое изображение представляет собой плоскую проекцию совокупности всех исходных объектов.

Применение компьютерной графики

Сфера применения компьютерной графики сегодня не ограничивается научной и промышленной деятельностью. Ее широко используют в своей работе конструкторы, дизайнеры, архитекторы и аналитики для создания всевозможной документации и презентации своих проектов, а также фотохудожники при творческой обработке изображений.

Дополнительно, компьютерная графика применяется при создании:

компьютерных игр;
рекламных материалов; ;
компьютерных эффектов к фильмам.

Кроме того, в наши дни большой популярностью пользуется цифровая живопись, которую современные художники используют для написания картин разных стилей и жанров.

Цифровая живопись имеет ряд значительных преимуществ перед традиционной. Например, художник может в течение нескольких секунд подбирать нужный цвет и тип инструмента с помощью специальной программы, а также легко исправлять допущенные ошибки и сохранять начатую работу, чтобы вернуться к ней позже.

История компьютерной графики

История компьютерной графики берет свое начало с конца 40-х годов прошлого века, когда в компьютерах начали использовать электронно-лучевые трубки в качестве оперативной памяти. Уже тогда у специалистов появилась возможность создавать на экране осциллографов элементарные изображения, используя простейший код.

В 1952 году английский программист Александр Дуглас (Alexander Douglas) разработал первую в мире компьютерную игру «OXO» — виртуальный аналог знакомых всем крестиков-ноликов. Но в ней графика еще не использовалась. Только через 10 лет Стив Рассел (Steve Russell) создал полноценную игру с графикой «Spacewar!», в которой два игрока управляли космическими кораблями, а интерактивные фигурки челноков перемещались на экране монитора.

В 1955 году был изобретено световое перо — аналог современного стилуса, но сфера его применения была ограничена научной отраслью. В середине 1960-х вышли в свет первые мультфильмы, созданные с использованием компьютерной графики, которые вызвали огромный интерес у зрителей.

Но только в 70-х годах ХХ века с появлением цветных мониторов цифровая графика начала стремительно развиваться. Тогда же появились первые персональные компьютеры, что позволило приобщиться к технологиям создания цифровых изображений огромному количеству людей.

С этого момента значительно расширилась сфера применения цифровой графики, началась активная разработка компьютерных игр, вскоре появились первые графические редакторы и стандарты, а в середине 1990-х — красочные работы пионеров цифровой живописи.

С началом нового тысячелетия для компьютерной графики наступила эра новых возможностей. Благодаря развитию уникальных цифровых технологий, доступности компьютеров и программного обеспечения, перед современными художниками открыты грандиозные перспективы для творческой самореализации.

Читайте также: