Компьютерная графика

Первые вычислительные машины 40-х годов XX века («ABC», 1942 г., «ЭНИАК», 1946 г., «EDSAC», 1949 г., «МЭСМ», 1950 г.) разрабатывались и использовались строго для расчётов и не имели отдельных средств для работы с графикой. Однако уже тогда некоторые энтузиасты пытались использовать ЭВМ первого поколения на электронных лампах для получения и обработки изображений. Программируя память ЭВМ и устройств вывода информации, построенных на основе матрицы электрических ламп, можно было получать простые узоры. Лампы накаливания включались и отключались в определённом порядке, образуя изображения различных фигур.

В конце 1940-х и начале 1950-х годов во многих компьютерах стали применяться электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) в виде осциллографов, или трубок Вильямса, которые использовались как оперативная память. Теоретически, записывая 0 или 1 в определённом порядке в такую память, на экране можно было отобразить определённое изображение, но на практике это не использовалось. В 1952 году британский инженер Александр Дуглас (Alexander Shafto «Sandy» Douglas) написал шуточную программу «OXO» (крестики-нолики) для программируемого компьютера EDSAC (1949 г.), ставшую в истории первой компьютерной игрой. Изображение решётки и ноликов с крестиками строилось путём программирования трубки Вильямса или прорисовывалось на соседнем ЭЛТ.

В 1950-х годах вычислительные возможности компьютеров и графические возможности периферийных устройств не позволяли получить высокую детализацию, но давали возможность осуществить посимвольный вывод изображений на экраны мониторов и типовых принтеров. Изображения строились из алфавитно-цифровых символов (символьная графика, позже пришло название ASCII-графика и ASCII-Art). Принцип прост: разница в плотности алфавитно-цифровых знаков и неспособность человеческого зрения различать детали с расстояния позволили создавать на компьютере рисунки и псевдографические объекты. Подобные изображения на бумаге создавали машинистки на печатных машинках в конце XIX века.

В 1950 году энтузиаст Бенджамин Лапоски (Ben Laposky), математик, художник и чертёжник, начал экспериментировать с экраном осциллографа, строя сложные динамичные фигуры — осцилионы. 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.

В 1951 году в военном компьютере Whirlwind-I (по-русски «Вихрь», «Ураган»), встроенном позже в систему SAGE противовоздушной обороны США, впервые был применён монитор как средство отображения визуальной и графической информации.

В 1955 году в лаборатории Массачусетского технологического института (MIT) было изобретено световое перо (Light pen). Это светочувствительное устройство ввода компьютера. В основе его — стилус, который используется для выбора текста, рисования изображений и взаимодействия с элементами пользовательского интерфейса на экране компьютера или монитора. Перо хорошо работает только с ЭЛТ(CRT)-мониторами, поскольку они сканируют экран попиксельно, что даёт компьютеру способ отслеживать ожидаемое время сканирования электронным лучом и определять положение пера на основе последней метки времени сканирования. На кончике пера находится фотоэлемент, испускающий электронный импульсы и одновременно реагирующий на пиковое свечение, соответствующее моменту прохода электронного луча. Достаточно синхронизировать и сопоставить импульс с положением электронной пушки, чтобы определить, куда именно указывает перо.

Световые перья широко использовались в вычислительных терминалах 1960-х годов. С появлением ЖК (LCD)-мониторов в 90-х годах они практически вышли из употребления, так как с экранами этих устройств работа светового пера стала невозможной.

В 1957 году инженер Рассел Кирш (Russell A. Kirsch) из Национального бюро стандартов США изобрёл для компьютера SEAC первый сканер и получил на нём первое цифровое изображение — скан-фото своего сына Уолдена (анг. Walden).

В 60-е годы XX века начался реальный расцвет компьютерной графики. С приходом новых высокопроизводительных по тем меркам компьютеров на транзисторах с мониторами (2-е поколение ЭВМ) и позже на микросхемах (3-е поколение ЭВМ) машинная графика стала не только сферой энтузиастов, но серьёзным научно-практическим направлением развития компьютерных технологий. Появились первые суперкомпьютеры (СDС 6600 и Cray-1), позволившие работать не только с быстрыми вычислениями, но и с компьютерной графикой на новом уровне.

В 1960 году инженер-дизайнер Уильям Феттер (William Fetter) из авиастроительной корпорации Боинг (англ. Boeing) впервые ввёл термин «компьютерная графика». Рисуя дизайн кабины пилотов самолёта на рабочем компьютере, он решил таким образом описать в технической документации род своей деятельности. В 1964 г. Ульям Феттер создал на компьютере также проволочную графическую модель человека под названием «человек Боинга», он же «первый человек», использованную позже в телерекламе 70-х годов.

В 1962 году программист Стив Рассел (Steve Russell) из МТИ на компьютере DEC PDP-1 разработал отдельную программу с графикой — компьютерную игру «Spacewar!». Создание её заняло около 200 человеко-часов. Игра использовала джойстик и обладала интересной физикой с симпатичной графикой. Однако первой компьютерной игрой, но без графики, можно считать программу Александра Дугласа «OXO» («Крестики-нолики», 1952)

В 1963 году на основе компьютера «TX-2» американский инженер-программист из МТИ, пионер компьютерной графики Айвен Сазерленд (Ivan Edward Sutherland) создал программно-аппаратный комплекс Sketchpad, позволявший рисовать точки, линии и окружности на трубке световым пером. Поддерживались базовые действия с примитивами: перемещение, копирование и др. По сути, это был первый векторный редактор, ставший прообразом современных САПР (систем автоматизированного проектирования), таких как AutoCAD или Компас-3D. Также эту программу можно считать первым графическим интерфейсом, вышедшим за 10 лет до Xerox Alto (1973 г.), раньше появления самого термина. В 1968 г. Айвеном Сазерлендом был создан прообраз первого компьютерного шлема виртуальной реальности, названный «Дамокловым мечом» по аналогии с древнегреческой легендой.

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 чертёжную машину (графопостроитель).

В 1963 году программист из Bell Labs Эдвард Зейджек (Edward E. Zajac) разработал первую компьютерную анимацию — движение спутника вокруг Земли. Анимация демонстрировала теоретический спутник, использовавший гироскопы для поддержки своей ориентации относительно Земли. Вся компьютерная обработка была сделана на компьютерах серий IBM 7090 или 7094 с использованием программы ORBIT.

В последующие годы выходят и другие, более сложные и значимые анимации: «Tesseract» («Тессеракт», он же «Гиперкуб», 1965 г.) Майкла Нолла из «Bell Labs», «Hummengbird» («Колибри», 1967 .) Чарльза Цури и Джеймса Шаферса, «Кошечка» (1968 г.) Николая Константинова, «Metadata» («Метаданные», 1971 г.) Питера Фолдерса и т..д.

В 1964 году выпущен IBM 2250, первый коммерческий графический терминал для мейнфрейма IBM/360.

В 1964 году компания General Motors совместно с IBM представляет систему автоматизированного проектирования DAC-1.

В 1967 году профессор Дуглас Энгельбарт (Douglas Carl Engelbart) конструирует первую компьютерную мышь (указатель XY-координат) и показывает её возможности на выставке в Сан-Франциско в 1968 г.

В 1967 году сотрудник IBM Артур Аппель описывает алгоритм удаления невидимых рёбер (в том числе частично скрытых), позднее названный лучевым кастингом, отправной точкой современной 3D-графики и фотореализма.

В 1968 году[1] в СССР группой под руководством Н. Н. Константинова создана компьютерная модель имитации движения кошки. Машина БЭСМ-4, выполняя написанную программу решения дифференциальных уравнений, рисовала мультфильм «Кошечка»[2] — прорыв для своего времени. Аналогичные алгоритмы динамики движения были переоткрыты на западе только в 80-х годах. Для визуализации использовался алфавитно-цифровой принтер.

В том же году компьютерная графика делает существенный прогресс с появлением возможности запоминать изображения и выводить их на компьютерный дисплей - электронно-лучевую трубку. Появляются первые растровые мониторы.

В 70-х годах появляются первые цветные мониторы и цветная графика — новый рывок в развитии компьютерной графики. Суперкомпьютеры с цветными дисплеями стали использоваться для создания спецэффектов в кино (фантастическая эпопея 1977 г. «Звёздные войны» режиссёра Джорджа Лукаса, фантастический ужастик «Чужой» (анг. «Alien») киностудии XX век Fox и режиссёра Ридли Скотта, позже недооценённый научно-фантастический фильм 1982 года «Трон» (англ. Tron) студии Walt Disney и режиссёра Стивена Лисбергера). В этот период компьютеры стали ещё более быстродействующими, их научили рисовать 3D-изображения, возникла трёхмерная графика и новое направление визуализации — фрактальная графика. Появились персональные компьютеры с графическими интерфейсами, использующие компьютерную мышь (Xerox Alto, 1973 г.).

В 1971 году математик Анри Гуро, в 1972 году Джим Блинн и в 1973 году Буй Туонг Фонг разрабатывают модели затенения, позволяющие графике выйти за рамки плоскости и точно отобразить глубину сцены. Джим Блинн стал новатором в области внедрения карт рельефа, техники моделирования неровных поверхностей, а алгорим Фонга впоследствии стал основным в современных компьютерных играх.

В 1972 году пионер компьютерной графики Эдвин Катмулл (Edwin Catmull) создаёт первое 3D-изображение — проволочную и текстурированную модель собственной левой руки.

В 1973 году появляется первый компьютер с полностью графическим интерфейсом — Xerox Alto.

В 1975 году французский математик Бенуа Мандельброт (Benoît B. Mandelbrot), программируя компьютер модели IBM, строит на нём изображение результатов вычисления комплексной математической формулы (множество Мандельброта), и в результате анализа полученных повторявших закономерностей даёт красивым изображениям название «фрактал» (с лат. дробный, разбитый). Возникает фрактальная геометрия и новое перспективное направление в компьютерной графике — фрактальная графика.

В конце 1970-х годов, с появлением персональных компьютеров 4-го поколения — на микропроцессорах, графика с промышленных систем переходит на рабочие места и в дома простых пользователей. Зарождается индустрия видеоигр и компьютерных игр. Первым массовым персональным компьютером с цветной графикой стал ПК Apple II (1977 г.)

В 1980-х годах, с развитием персональных компьютеров графика становится более детализированной и цветопередающей (повышается разрешение изображений и расширяется цветовая палитра). Выходит множество моделей домашних компьютеров, используемых прежде всего для компьютерных игр, поэтому большинство из них имеют графический режим. Появляются компьютеры IBM PC (1981 год), с видеокартами MDA, CGA, EGA, VGA, SVGA[3]. Разработаны первые стандарты файловых графических форматов, например GIF (1987). Выпускаются системы компьютерной графики и графические рабочие станции, возникает графическое моделирование.

По способам задания изображений графику можно разделить на категории:

Векторная графика

Пример векторного рисунка

Векторная графика представляет изображение как набор геометрических примитивов. Обычно в качестве них выбираются точки, прямые, окружности, прямоугольники, а также как общий случай, кривые некоторого порядка. Объектам присваиваются некоторые атрибуты, например, толщина линий, цвет заполнения. Рисунок хранится как набор координат, векторов и других чисел, характеризующих набор примитивов. При воспроизведении перекрывающихся объектов имеет значение их порядок.

Изображение в векторном формате даёт простор для редактирования. Изображение может без потерь масштабироваться, поворачиваться, деформироваться, также имитация трёхмерности в векторной графике проще, чем в растровой. Дело в том, что каждое такое преобразование фактически выполняется так: старое изображение (или фрагмент) стирается, и вместо него строится новое. Математическое описание векторного рисунка остаётся прежним, изменяются только значения некоторых переменных, например, коэффициентов.

При преобразовании растровой картинки исходными данными является только описание набора пикселей, поэтому возникает проблема замены меньшего числа пикселей на большее (при увеличении), или большего на меньшее (при уменьшении). Простейшим способом является замена одного пикселя несколькими того же цвета (метод копирования ближайшего пикселя: Nearest Neighbour). Более совершенные методы используют алгоритмы интерполяции, при которых новые пиксели получают некоторый цвет, код которого вычисляется на основе кодов цветов соседних пикселей. Подобным образом выполняется масштабирование в программе Adobe Photoshop (билинейная и бикубическая интерполяция).

Вместе с тем, не всякое изображение можно представить как набор из примитивов. Такой способ представления хорош для схем, используется для масштабируемых шрифтов, деловой графики, очень широко используется для создания мультфильмов и просто роликов разного содержания.

Растровая графика

Пример растрового рисунка

Растровая графика всегда оперирует двумерным массивом (матрицей) пикселей. Каждому пикселю сопоставляется значение яркости, цвета, прозрачности — или комбинация этих значений. Растровый образ имеет некоторое число строк и столбцов.

Без особых потерь растровые изображения можно только лишь уменьшать, хотя некоторые детали изображения тогда исчезнут навсегда, что иначе в векторном представлении. Увеличение же растровых изображений оборачивается видом на увеличенные квадраты того или иного цвета, которые раньше были пикселями.

В растровом виде представимо любое изображение, однако этот способ хранения имеет свои недостатки: больший объём памяти, необходимый для работы с изображениями, потери при редактировании.

Растровую графику используют дизайнеры, аниматоры, художники работающие с отдельными графическими работами и заказами для индивидуальной продажи. Растровые изображения не идут в тираж и не используются в массовой продаже, так как при увеличении размера, изображение теряет качество, однако именно растровая графика позволяет делать почти живописные работы, более проработанные дизайны и более быстрые разработки, которые уже потом при необходимости редактируются и воспроизводятся в нужном формате с применением векторных программ.

Фрактальная графика

Фрактальное дерево

Фрактал — объект, отдельные элементы которого наследуют свойства родительских структур. Поскольку более детальное описание элементов меньшего масштаба происходит по простому алгоритму, описать такой объект можно всего лишь несколькими математическими уравнениями.

Фракталы позволяют описывать целые классы изображений, для детального описания которых требуется относительно мало памяти. С другой стороны, фракталы слабо применимы к изображениям вне этих классов.

Представление цветов в компьютере

Основные статьи: Цветовое пространство и Цветовая модель

Система цветопередачи RGB

Для передачи и хранения цвета в компьютерной графике используются различные формы его представления. В общем случае цвет представляет собой набор чисел, координат в некоторой цветовой системе.

Стандартные способы хранения и обработки цвета в компьютере обусловлены свойствами человеческого зрения. Наиболее распространены системы RGB для дисплеев и CMYK для работы в типографском деле.

Иногда используется система с большим, чем три, числом компонент. Кодируется спектр отражения или испускания источника, что позволяет более точно описать физические свойства цвета. Такие схемы используются в фотореалистичном трёхмерном рендеринге.

• Псевдографика
• Цифровое видео
• Мультимедиа
• Сегментация (обработка изображений)
• Графический интерфейс пользователя

• Никулин Е.А. Компьютерная графика. Модели и алгоритмы (неопр.) (недоступная ссылка). СПб: издательство "Лань". - 708 с. (2017). Дата обращения: 24 ноября 2018. Архивировано 24 ноября 2018 года.
• Никулин Е. А. Компьютерная геометрия и алгоритмы машинной графики. — СПб.: БХВ-Петербург, 2003. — 560 с. — 3000 экз. — ISBN 5-94157-264-6.
• Компьютер рисует фантастические миры (ч.2) // Компьютер обретает разум = Artificial Intelligence Computer Images / под ред. В.Л. Стефанюка. — М.: Мир, 1990. — 240 с. — 100 000 экз. — ISBN 5-03-001277-X (рус.); 7054 0915 5 (англ.).
• Дональд Херн, М. Паулин Бейкер. Компьютерная графика и стандарт OpenGL = Computer Graphics with OpenGL. — 3-е изд. — М.: «Вильямс», 2005. — С. 1168. — ISBN 5-8459-0772-1.
• Эдвард Энджел. Интерактивная компьютерная графика. Вводный курс на базе OpenGL = Interactive Computer Graphics. A Top-Down Approach with Open GL. — 2-е изд. — М.: «Вильямс», 2001. — С. 592. — ISBN 5-8459-0209-6.
• Сергеев Александр Петрович, Кущенко Сергей Владимирович. Основы компьютерной графики. Adobe Photoshop и CorelDRAW - два в одном. Самоучитель. — М.: «Диалектика», 2006. — С. 544. — ISBN 5-8459-1094-3.
• Кнабе Г. А. Энциклопедия дизайнера печатной продукции. Профессиональная работа. — К.: «Диалектика», 2005. — С. 736. — 3000 экз. — ISBN 5-8459-0906-6.

• N-мерная компьютерная математическая параметрическая графика в видео
• Рисование онлайн (рисовалки, профессиональные растровые и векторные редакторы)
• Общее введение в компьютерную графику
• Селиверстов М. «3D кино — новое или хорошо забытое старое?»
• Одна из первых российских студий компьютерной графики — Бегемот, в индустрии с 1993 года.
• 3D Компьютерная графика в каталоге ссылок Open Directory Project (dmoz)