Введение в компьютерную графику

Преподаватель Шибеко М. Н.

Содержание

Основные понятия
История развития
Сфера применения компьютерной графики
Области применения компьютерной графики
Технические средства компьютерной графики
Видеосистема персонального компьютера

Компьютерная графика - создание изображений с помощью компьютера.

Задача компьютерной графики - визуализация, т.е. создание изображения.

Компьютерная графика (КГ) – это отрасль знаний, представляющая комплекс аппаратных и программных средств, используемых для формирования, преобразования и выдачи информации в визуальной форме на средства отображения ЭВМ, а также КГ - совокупность методов и приемов для преобразования при помощи ЭВМ данных в графическое представление или графического представления в данные.

Конечным продуктом КГ является изображение (графическая информация). Изображение можно разделить на:

1.  Рисунок – графическая форма изображения, в основе которой лежит линия.
2.  Чертеж – это контурное изображение проекции некоторых реально существующих или воображаемых объектов.
3.  Картина – тоновое черно-белое или цветное изображение.

Компьютерная графика - это область информатики, которая охватывает все стороны формирования изображений с помощью компьютера.

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.

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.

Позже "осциллоны" стали цветными благодаря использованию светофильтров.

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

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.

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

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.

Этот снимок включен в 2003 году журналом Life в список "Сто фотографий, изменивших мир"

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.

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.

https://img.tyt.by/n/it/00/3/saul_bass_titles_for_alfred_hitchcock_s_vertigo_1958_.mp4

1960-е годы: от "Альбома" к мультипликацииСчитается, 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.

В 1963 году Айвен Сазерленд (Ivan Sutherland), другой учащийся МТИ, написал для TX-2 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.

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

"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.

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.https://img.tyt.by/n/it/06/7/ivan_sutherland_sketchpad_demo.mp4

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.https://img.tyt.by/n/it/01/9/simulation_of_a_two-giro_gravity_attitude_control_system_-_edward_zajac.mp4

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 Poem Field. Анимация велась на мейнфрейме IBM 7094, записывалась микрофильмирующим аппаратом Stromberg-Carlson 4020, стоила тогда 500 долларов за минуту.https://img.tyt.by/n/it/04/f/visualing_poetry_with_1960s_computer_graphics_-_at_t_archives.mp4

В 1964 году появился упоминавшийся IBM 2250, первый графический терминал коммерческого уровня для мейнфрейма IBM/360. Проходя по цене 280 тыс. долларов, он предлагал 21-дюймовый монитор с разрешением 1024×1024 пикселей, графический процессор, световое перо, клавиатуру.В 1967 году на базе Университета Юты организован исследовательский центр компьютерной графики мирового масштаба, буквально сразу же, в 1968-м, отпочковавшийся в самостоятельную компанию Evans & Sutherland. Ее сформировали нам уже известный Айвен Сазерленд и Дэвид Эванс (David Evans), вплотную изучающий аспекты визуального взаимодействия компьютера с человеком. В 1968 году в СССР снят мультфильм "Кошечка", ставший первым, в котором появился анимированный компьютером персонаж. https://img.tyt.by/n/it/0c/c/koshechka.mp4

В связи с успехами в области компьютерной графики крупные корпорации начали проявлять к ней интерес, что в свою очередь стимулировало прогресс в области ее технической поддержки.Университет штата Юта становится центром исследований в области компьютерной графики благодаря Д.Эвансу и А.Сазерленду, которые в это время были самыми заметными фигурами в этой области. Позднее их круг стал быстро расширяться. Учеником Сазерленда стал Э.Кэтмул, будущий создатель алгоритма удаления невидимых поверхностей с использованием Z-буфера (1978). Здесь же работали Дж.Варнок, авторалгоритма удаления невидимых граней на основе разбиения области (1969) и основатель Adobe System (1982), Дж.Кларк, будущий основатель компании Silicon Graphics (1982). Все эти исследователи очень сильно продвинули алгоритмическую сторону компьютерной графики.

В том же 1971 г. Гольдштейн и Нагель впервые реализовали метод трассировки лучей с использованием логических операций для формирования трехмерных изображений.

Сфера применения компьютерной графики включает четыре основных области

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.

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.

Сфера применения компьютерной графики

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.

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.

Области применения компьютерной графики

Научная графика
Деловая графика
Конструкторская графика
Иллюстрированная графика
Художественная и рекламная графика
- трехмерные реалистические
изображения
- компьютерная анимация(мультфильмы)
Мультимедиа
Видеомонтаж

Научная графика
Наглядное изображение объектов научных исследований

Программы САПР (или CAD — computer-aided design) представляют собой векторные программные средства, которые нашли широкое применение в различных сферах человеческой деятельности.
• Одно из главных применений составляет их использование в различных областях инженерной конструкторской деятельности — от проектирования микросхем до создания самолетов.
Другой важной областью применения САПР является архитектура.

Деловая графика
Иллюстрация цифровых отчетных данных

Области применения компьютерной графики

Конструкторская графика
Подготовка чертежей в процессе
проектирования технических конструкций

Области применения компьютерной графики

Иллюстративная графика
Рисование с помощью компьютера на основе применения графических редакторов

Области применения компьютерной графики

Художественная и рекламная графика
Создание рекламных роликов, мультфильмов, компьютерных игр….

Области применения компьютерной графики

Видеомонтаж можно условно разделить на два вида:
спецэффекты в кино;
подготовка телевизионных передач.

Технические средства компьютерной графики

Растр
Размер M x N
(разрешающая
способность экрана)
640x200,
640x480,
1024x768,
1280x1024

Электронно-лучевые
Жидкокристаллические
Газоплазменные

недостаток —
вредное воздействие
на здоровье человека.

Мониторы

Черно–белые
монохромные

Цветные

Луч 100%

Луч 0%

Луч 50%

Цветной
пиксель

Красный
Зеленый
Синий

Видеокарта (видеоадаптер)

Видеосистема персонального компьютера

Центральный
процессор
ЦП

Оперативная
память
ОЗУ

Информационная магистраль

Видеопамять

Дисплейный процессор

Источники информации

http://phys.bspu.unibel.by/static/lib/inf/gr/ingraph/index.htm
https://barnaul.gde.ru/c/corel_photoshop_web-dizayn_kompyuternaya_grafika_i_dizayn_8324713.html
https://stepik.org/course/2843/promo
https://img.tyt.by/n/it/06/7/ivan_sutherland_sketchpad_demo.mp4
https://img.tyt.by/n/it/0c/c/koshechka.mp4