Grafica pe computer (de asemenea, grafica pe computer ) - un domeniu de activitate în care computerele, împreună cu software-ul special, sunt folosite ca instrument atât pentru crearea (sinteza) și editarea imaginilor, cât și pentru digitizarea informațiilor vizuale primite din lumea reală , cu scopul de prelucrare ulterioară a acestuia și depozitare.
Primele calculatoare din anii 40 ai secolului XX („ ABC ”, 1942, „ ENIAC ”, 1946, „ EDSAC ”, 1949, „ MESM ”, 1950) au fost dezvoltate și utilizate strict pentru calcule și nu aveau mijloace separate de lucru cu grafică. Totuși, chiar și atunci, unii pasionați au încercat să folosească calculatoarele de prima generație pe tuburi vid pentru obținerea și prelucrarea imaginilor. Prin programarea memoriei calculatoarelor și a dispozitivelor de ieșire a informațiilor construite pe baza unei matrice de lămpi electrice, a fost posibilă obținerea unor modele simple. Lămpile incandescente s-au aprins și stins într-o anumită ordine, formând imagini ale diferitelor figuri.
La sfârșitul anilor 1940 și începutul anilor 1950, multe computere au început să folosească tuburi catodice (CRT) sub formă de osciloscoape sau tuburi Williams, care au fost folosite ca RAM. Teoretic, scriind 0 sau 1 într-o anumită ordine într-o astfel de memorie, o anumită imagine putea fi afișată pe ecran, dar în practică aceasta nu a fost folosită. În 1952, inginerul britanic Alexander Douglas ( Alexander Shafto „Sandy” Douglas ) a scris programul de benzi desenate „ OXO ” (tic-tac-toe) pentru computerul programabil EDSAC (1949), care a devenit primul joc pe computer din istorie. Imaginea rețelei și a zerourilor cu cruci a fost construită prin programarea tubului Williams sau desenată pe un CRT adiacent.
În anii 1950, capacitățile de calcul ale computerelor și capacitățile grafice ale dispozitivelor periferice nu permiteau detalii ridicate, dar făceau posibilă afișarea imaginilor caracter cu caracter pe ecranele monitorului și imprimantele standard . Imaginile au fost construite din caractere alfanumerice (grafice de caractere, numite mai târziu ASCII-graphics și ASCII-Art). Principiul este simplu: diferența de densitate a caracterelor alfanumerice și incapacitatea vederii umane de a distinge detaliile de la distanță au făcut posibilă crearea de desene și obiecte pseudo-grafice pe computer. Imagini similare pe hârtie au fost create de dactilografe pe mașini de scris la sfârșitul secolului al XIX-lea.
În 1950, Ben Laposky , un matematician, artist și desenator entuziast, a început să experimenteze cu ecranul osciloscopului, construind forme dinamice complexe numite oscilioni. Dansul luminii a fost creat de cele mai complexe setări ale acestui dispozitiv cu raze catodice. Fotografie de mare viteză și lentile speciale au fost folosite pentru a capta imagini, ulterior au fost adăugate filtre pigmentate pentru a umple imaginile cu culoare.
În 1951, în computerul militar Whirlwind-I (în rusă „Whirlwind”, „Hurricane”), încorporat mai târziu în sistemul SAGE al Apărării Aeriene ale SUA, un monitor a fost folosit pentru prima dată ca mijloc de afișare a informațiilor vizuale și grafice.
În 1955, Light Pen a fost inventat în laboratorul Institutului de Tehnologie din Massachusetts (MIT ). Este un dispozitiv fotosensibil de intrare pe computer. Se bazează pe un stylus care este folosit pentru a selecta text, a desena imagini și a interacționa cu elementele interfeței cu utilizatorul de pe un computer sau un monitor. Stiloul funcționează bine doar cu monitoarele CRT, deoarece scanează ecranul pixel cu pixel, ceea ce oferă computerului o modalitate de a ține evidența timpului de scanare așteptat al fasciculului de electroni și de a determina poziția stiloului pe baza ultimului marcaj temporal de scanare. În vârful stiloului se află o celulă foto care emite impulsuri electronice și reacţionează simultan la strălucirea maximă corespunzătoare momentului în care trece fasciculul de electroni. Este suficient să sincronizați și să potriviți pulsul cu poziția pistolului cu electroni pentru a determina exact unde este îndreptat stiloul.
Pixurile luminoase au fost utilizate pe scară largă în terminalele de calcul în anii 1960. Odată cu apariția monitoarelor LCD (LCD) în anii 90, acestea au căzut practic în neutilizare, deoarece munca unui stilou ușor a devenit imposibilă cu ecranele acestor dispozitive.
În 1957, inginerul Russell Kirsch ( Russell A. Kirsch ) de la Biroul Național de Standarde al SUA a inventat primul scaner pentru computerul SEAC și a primit prima imagine digitală pe el - o fotografie scanată a fiului său Walden (ing. Walden).
În anii 60 ai secolului XX, a început adevărata înflorire a graficii pe computer. Odată cu apariția noilor calculatoare de înaltă performanță bazate pe tranzistori cu monitoare (generația a 2-a de calculatoare) și mai târziu pe microcircuite (generația a 3-a de calculatoare), grafica computerizată a devenit nu doar sfera pasionaților, ci o direcție științifică și practică serioasă în dezvoltarea tehnologiilor informatice. Au apărut primele supercomputere ( СDС 6600 și Cray-1), care au făcut posibilă lucrul nu numai cu calcule rapide, ci și cu grafică pe computer la un nou nivel.
În 1960, inginerul de proiectare William Fetter ( William Fetter ) de la Boeing Aircraft Corporation (ing. Boeing) a inventat pentru prima dată termenul „grafică pe computer”. Desenând designul cockpitului unei aeronave pe un computer de lucru, el a decis în acest fel să descrie natura activității sale în documentația tehnică. În 1964, William Vetter a creat și un model grafic al unei persoane pe un computer numit „Boeing Man”, cunoscut și sub denumirea de „prima persoană”, care a fost folosit ulterior în publicitatea televizată în anii ’70.
În 1962, programatorul MIT Steve Russell a dezvoltat un program de grafică separat pe un computer DEC PDP-1 , jocul pe computer Spacewar! ". Crearea sa a durat aproximativ 200 de ore de om . Jocul folosea un joystick și avea o fizică interesantă, cu o grafică frumoasă. Cu toate acestea, primul joc de calculator, dar fără grafică, poate fi considerat programul lui Alexander Douglas "OXO" ("Tic-Tac-Toe", 1952)
În 1963, pe baza computerului TX-2, un inginer american de software de la MIT, pionierul graficii pe computer Ivan Sutherland (Ivan Edward Sutherland ) a creat sistemul software și hardware Sketchpad , care a făcut posibilă trasarea de puncte, linii și cercuri pe un tub cu un stilou ușor. Au fost suportate acțiuni de bază cu primitive: mutare, copiere etc. De fapt, a fost primul editor vectorial care a devenit prototipul CAD-ului modern (sisteme de proiectare asistată de computer), precum AutoCAD sau Compass-3D. De asemenea, acest program poate fi considerat prima interfață grafică, lansată cu 10 ani înainte de Xerox Alto (1973), înainte de apariția termenului în sine. În 1968, Ivan Sutherland a creat prototipul primei căști de computer de realitate virtuală , numită „Sabia lui Damocles” prin analogie cu legenda greacă antică.
La mijlocul anilor 1960. au existat dezvoltări în aplicaţiile industriale ale graficii pe computer. Deci, sub conducerea lui T. Mofett și N. Taylor, Itek a dezvoltat o mașină electronică digitală de desen (plotter).
În 1963, programatorul Bell Labs Edward E. Zajac a dezvoltat prima animație pe computer a unui satelit care se mișcă în jurul Pământului. Animația a arătat un satelit teoretic folosind giroscoape pentru a-și menține orientarea față de Pământ. Toate procesările computerizate au fost efectuate pe calculatoare IBM din seria 7090 sau 7094 folosind programul ORBIT.
În anii următori, au fost lansate și alte animații, mai complexe și semnificative: „Tesseract” („Tesseract”, alias „Hypercube”, 1965) de Michael Knoll de la „ Bell Labs ”, „Hummengbird” (“Hummingbird”, 1967.) Charles Zuri și James Shafers, „Kitty” (1968) de Nikolai Konstantinov, „Metadata” („Metadata”, 1971) de Peter Faulders etc.
În 1964, a fost lansat IBM 2250, primul terminal grafic comercial pentru mainframe IBM/360.
În 1964, General Motors, împreună cu IBM, introduce sistemul de proiectare asistată de calculator DAC-1.
În 1967, profesorul Douglas Carl Engelbart a proiectat primul mouse de calculator (indicator de coordonate XY) și își arată capacitățile la o expoziție din San Francisco în 1968.
În 1967, angajatul IBM , Arthur Appel, descrie un algoritm pentru eliminarea marginilor invizibile (inclusiv a celor parțial ascunse), numit mai târziu ray casting, punctul de plecare al graficii 3D moderne și al fotorealismului.
În 1968 [1] în URSS, un grup condus de N. N. Konstantinov a creat un model computerizat pentru simularea mișcării unei pisici. Mașina BESM-4 , care execută programul scris pentru rezolvarea ecuațiilor diferențiale, a desenat desenul animat „ Kitty ” [2] - o descoperire pentru timpul său. Algoritmi similari de dinamică a mișcării au fost redescoperiți în Occident abia în anii 80. Pentru randare a fost folosită o imprimantă alfanumerică .
În același an Grafica pe computer face progrese semnificative odată cu apariția capacității de a stoca imagini și de a le afișa pe un ecran de computer - un tub catodic . Apar primele monitoare raster.
În anii 1970, au apărut primele monitoare color și grafică color - o nouă descoperire în dezvoltarea graficii pe computer. Supercalculatoarele cu ecrane color au început să fie folosite pentru a crea efecte speciale în filme. Prima utilizare a CGI într-un lungmetraj a fost în Westworld , lansat în 1973 [3] . Apoi a venit epicul fantasy CGI din 1977 Războiul Stelelor, regizat de George Lucas , filmul de groază științifico-fantastic din secolul al XX-lea Fox Alien și regizat de Ridley Scott , filmul științifico-fantastic subestimat ulterior din 1982. Tron "(ing. Tron) de Walt Disney Studios și regizat de Steven Lisberger ). În această perioadă, computerele au devenit și mai rapide, au fost învățați să deseneze imagini 3D, a apărut grafica tridimensională și o nouă direcție de vizualizare - grafica fractală . Computerele personale au apărut cu interfețe grafice folosind un mouse de computer ( Xerox Alto , 1973).
În 1971, matematicianul Henri Gouraud , în 1972 Jim Blinn și în 1973 Bui Tuong Fong au dezvoltat modele de umbrire care permit graficii să depășească planeitatea și să descrie cu exactitate adâncimea scenei. Jim Blinn a devenit un inovator în domeniul cartografierii denivelărilor, o tehnică de modelare a suprafețelor neuniforme, iar algoritmul lui Phong a devenit ulterior principalul în jocurile moderne pe computer.
În 1972, pionierul graficii computerizate Edwin Catmull a creat prima imagine 3D, un model de fir și texturat al propriei sale mâini stângi.
În 1973, apare primul computer cu o interfață complet grafică - Xerox Alto .
În 1975, matematicianul francez Benoît B. Mandelbrot , programând un computer model IBM, construiește pe acesta o imagine a rezultatelor calculării unei formule matematice complexe (mulțimea Mandelbrot), iar ca urmare a analizei modelelor repetate obținute, el dă frumos imagini numele „fractal” (din lat. . fractional, rupt). Există geometrie fractală și o nouă direcție promițătoare în grafica computerizată - grafica fractală.
La sfârșitul anilor 1970, odată cu apariția computerelor personale din a 4-a generație - pe microprocesoare , grafica din sistemele industriale se mută la locurile de muncă și la casele utilizatorilor obișnuiți. Industria jocurilor video și a jocurilor pe computer este în curs de dezvoltare. Primul computer personal produs în serie cu grafică color a fost Apple II PC (1977)
În anii 1980, odată cu dezvoltarea computerelor personale, grafica devine mai detaliată și reproducătoare de culori (rezoluția imaginii crește și paleta de culori se extinde). Există multe modele de computere de acasă utilizate în principal pentru jocuri pe calculator , astfel încât majoritatea dintre ele au un mod grafic. Apar calculatoarele IBM PC (1981), cu plăci video MDA , CGA , EGA , VGA , SVGA [4] . Au fost dezvoltate primele standarde pentru formatele grafice de fișiere, cum ar fi GIF (1987). Sunt produse sisteme de grafică pe computer și stații de lucru grafice , iar modelarea grafică este în curs de dezvoltare.
Grafică științifică - primele computere au fost folosite doar pentru a rezolva probleme științifice și industriale. Pentru a înțelege mai bine rezultatele obținute, acestea au fost prelucrate grafic, au fost construite grafice , diagrame, desene ale structurilor calculate. Primele grafice de pe mașină au fost obținute în modul de imprimare simbolică. Apoi au apărut dispozitive speciale - plottere grafice (plottere) pentru desenarea desenelor și a graficelor cu un stilou cu cerneală pe hârtie. Grafica științifică modernă pe computer face posibilă efectuarea de experimente de calcul cu o reprezentare vizuală a rezultatelor acestora.
Grafica de afaceri este o zonă de grafică pe computer concepută pentru a reprezenta vizual diferiți indicatori ai activității instituțiilor. Indicatori planificați, documentație de raportare, rapoarte statistice - acestea sunt obiectele pentru care sunt create materiale ilustrative folosind grafica de afaceri. Software-ul de grafică pentru afaceri este inclus în foile de calcul .
Grafica de proiectare este folosită în munca inginerilor de proiectare, arhitecților, inventatorilor. Acesta este un element obligatoriu al CAD (design automation systems). Prin intermediul graficelor de proiectare se pot obține atât imagini plate (proiecții, secțiuni), cât și imagini spațiale tridimensionale.
Graficele ilustrative sunt desene și desene arbitrare pe ecranul monitorului. Pachetele grafice ilustrative sunt pentru aplicații software de uz general. Cele mai simple instrumente software pentru grafică ilustrativă se numesc editori grafici.
Grafica artistică și publicitară au devenit populare în mare parte datorită televiziunii . Cu ajutorul computerului sunt create reclame, desene animate , jocuri pe calculator, tutoriale video, prezentări video. Pachetele grafice pentru aceste scopuri necesită resurse mari de computer în ceea ce privește viteza și memoria. O caracteristică distinctivă a acestor pachete grafice este capacitatea de a crea imagini realiste și imagini în mișcare. Obținerea de desene ale obiectelor tridimensionale, rotațiile, aproximările, îndepărtarile, deformațiile acestora este asociată cu o cantitate mare de calcule. Transferul iluminării unui obiect, în funcție de poziția sursei de lumină, de localizarea umbrelor, de textura suprafeței, necesită calcule care țin cont de legile opticii.
Pixel art este pixel art, o formă importantă de artă digitală, creată folosind un software de grafică raster, în care imaginile sunt editate la nivel de pixel. În partea mărită a imaginii, pixelii individuali apar ca pătrate și sunt ușor de văzut. În imaginile digitale, un pixel (sau un element de imagine) este un singur punct dintr-o hartă de biți. Pixelii sunt plasați pe o grilă bidimensională obișnuită și sunt adesea reprezentați prin puncte sau pătrate. Grafica din cele mai vechi (sau relativ limitate) jocuri de calculator și video, jocuri cu calculator grafic și multe jocuri pentru telefoane mobile sunt în mare parte pixel art.
Animația pe computer este producerea de imagini în mișcare pe un ecran de afișare. Artistul realizează pe ecran desene ale pozițiilor inițiale și finale ale obiectelor în mișcare; toate stările intermediare sunt calculate și afișate de computer, efectuând calcule pe baza descrierii matematice a acestui tip de mișcare. O astfel de animație se numește animație cadru cheie . Există și alte tipuri de animație pe computer: animație procedurală, animație de formă, animație de program și animație în care artistul însuși desenează toate cadrele manual. Desenele rezultate, afișate secvențial pe ecran cu o anumită frecvență, creează iluzia de mișcare.
Multimedia este combinația dintre o imagine de înaltă calitate pe ecranul unui computer cu sunet. Sistemele multimedia sunt cele mai utilizate pe scară largă în educație, publicitate și divertisment.
Grafica computerizată este, de asemenea, unul dintre domeniile de activitate științifică. În domeniul graficii pe computer se susțin disertații și se țin diverse conferințe:
În funcție de modalitățile de setare a imaginilor, grafica poate fi împărțită în categorii:
Grafica bidimensională (2D - din engleză two dimensions - "două dimensiuni") grafica pe computer este clasificată în funcție de tipul de prezentare a informațiilor grafice și de următorii algoritmi de procesare a imaginii. De obicei, grafica pe computer este împărțită în vector și raster, deși tipul fractal de reprezentare a imaginii este, de asemenea, izolat.
Grafică vectorialăGrafica vectorială reprezintă o imagine ca un set de primitive geometrice. De obicei, punctele, liniile drepte, cercurile , dreptunghiurile sunt alese ca ele și, de asemenea, ca caz general, curbele de o anumită ordine. Obiectelor li se atribuie unele atribute, de exemplu, grosimea liniei, culoarea de umplere. Desenul este stocat ca un set de coordonate, vectori și alte numere care caracterizează un set de primitive. Atunci când redați obiecte suprapuse, ordinea acestora contează.
Imaginea în format vectorial oferă loc pentru editare. Imaginea poate fi scalată, rotită, deformată fără pierderi, iar imitarea tridimensionalității în grafica vectorială este mai ușoară decât în grafica raster. Faptul este că fiecare astfel de transformare se realizează de fapt astfel: imaginea veche (sau fragmentul) este ștearsă, iar în schimb se construiește una nouă. Descrierea matematică a unui desen vectorial rămâne aceeași, doar valorile unor variabile, cum ar fi coeficienții, se modifică.
La conversia unei imagini raster, datele inițiale sunt doar o descriere a unui set de pixeli, așa că se pune problema înlocuirii unui număr mai mic de pixeli cu unul mai mare (la creștere) sau a unuia mai mare cu unul mai mic (la scădere). ). Cea mai simplă modalitate este să înlocuiți un pixel cu mai mulți de aceeași culoare (metoda de copiere a celui mai apropiat pixel: Nearest Neighbor). Metode mai avansate folosesc algoritmi de interpolare, în care pixelii noi primesc o anumită culoare, al cărei cod este calculat pe baza codurilor de culoare ale pixelilor vecini. În mod similar, scalarea este realizată în Adobe Photoshop ( interpolare biliniară și bicubică ).
În același timp, nu orice imagine poate fi reprezentată ca un set de primitive. Această metodă de prezentare este bună pentru diagrame, este folosită pentru fonturi scalabile, grafică de afaceri, este foarte utilizată pentru crearea de desene animate și doar videoclipuri cu conținut variat.
Grafică rasterGrafica raster funcționează întotdeauna pe o matrice bidimensională (matrice) de pixeli. Fiecărui pixel i se atribuie o valoare pentru luminozitate, culoare, transparență sau o combinație a acestor valori. O imagine bitmap are un număr de rânduri și coloane.
Fără pierderi mari, imaginile raster pot fi doar reduse, deși unele detalii ale imaginii vor dispărea pentru totdeauna, ceea ce este diferit în reprezentarea vectorială. Mărirea bitmaps-urilor, totuși, se transformă într-o vizualizare a pătratelor mărite de o culoare sau alta, care înainte erau pixeli.
Orice imagine poate fi reprezentată într-o formă raster, totuși, această metodă de stocare are dezavantajele sale: o cantitate mai mare de memorie necesară pentru lucrul cu imagini, pierderi în timpul editării.
Grafica raster este folosită de designeri, animatori, artiști care lucrează cu lucrări grafice individuale și comenzi pentru vânzare individuală. Imaginile raster nu intră în circulație și nu sunt folosite în vânzările în masă, deoarece, odată cu creșterea dimensiunii, imaginea își pierde calitatea, cu toate acestea, grafica raster vă permite să realizați lucrări aproape pitorești, modele mai elaborate și dezvoltări mai rapide, care sunt apoi editate si reproduse daca este necesar.formatul dorit folosind programe vectoriale.
Grafică fractalăUn fractal este un obiect ale cărui elemente individuale moștenesc proprietățile structurilor părinte. Deoarece o descriere mai detaliată a elementelor de o scară mai mică are loc conform unui algoritm simplu, un astfel de obiect poate fi descris cu doar câteva ecuații matematice.
Fractalii fac posibilă descrierea unor clase întregi de imagini, a căror descriere detaliată necesită relativ puțină memorie. Pe de altă parte, fractalii sunt slab aplicabili imaginilor din afara acestor clase.
Grafica tridimensională (3D - din engleza trei dimensiuni - „trei dimensiuni”) operează cu obiecte din spațiul tridimensional. De obicei, rezultatele sunt o imagine plată, o proiecție . Grafica pe computer tridimensională este utilizată pe scară largă în filme și jocuri pe calculator.
Grafica tridimensională este poligonală și voxel . Grafica Voxel este similară cu grafica raster. Un obiect este format dintr-un set de forme tridimensionale, cel mai adesea cuburi. Și în grafica computerizată poligonală, toate obiectele sunt de obicei reprezentate ca un set de suprafețe, suprafața minimă se numește poligon . Triunghiurile sunt de obicei alese ca poligon.
Spre deosebire de grafica 2D, grafica 3D utilizează o reprezentare tridimensională a datelor geometrice. În scopuri de performanță, acesta este stocat pe computer. Acestea includ imagini care pot fi pentru afișare ulterioară sau pentru vizionare live.
Toate transformările vizuale în grafica 3D vectorială (poligonală) sunt controlate de matrice (vezi și: transformarea afină în algebră liniară ). În grafica computerizată sunt utilizate trei tipuri de matrice:
Orice poligon poate fi reprezentat ca un set de coordonate ale vârfurilor sale . Deci, triunghiul va avea 3 vârfuri. Coordonatele fiecărui vârf sunt un vector (x, y, z). Înmulțind un vector cu matricea corespunzătoare, obținem un nou vector. După ce am făcut o astfel de transformare cu toate vârfurile poligonului, obținem un nou poligon, iar transformând toate poligoanele, obținem un nou obiect rotit/deplasat/scalat față de cel original.
Competițiile 3D sunt organizate anual, cum ar fi Magick next-gen sau Dominance War .
CGI ( eng. computer-generated imagery , lit. "computer-generated images") - imagini obținute de un computer pe bază de calcul și utilizate în arte plastice , tipărire , efecte speciale cinematografice , la televizor și în simulatoare . Imaginile în mișcare sunt create prin animație pe computer , care este un câmp mai restrâns de grafică CGI.
Pentru a transmite și stoca culoarea în grafica computerizată, sunt utilizate diferite forme de reprezentare a acesteia. În general, o culoare este un set de numere, coordonate într-un anumit sistem de culori.
Modalitățile standard de stocare și procesare a culorii într-un computer se datorează proprietăților vederii umane. Cele mai comune sisteme sunt RGB pentru afișaje și CMYK pentru imprimare.
Uneori este utilizat un sistem cu mai mult de trei componente. Spectrul de reflexie sau de emisie al sursei este codificat, ceea ce permite o descriere mai precisă a proprietăților fizice ale culorii. Astfel de scheme sunt utilizate în randarea 3D fotorealistă.
Orice imagine de pe monitor, în virtutea planului său, devine raster, deoarece monitorul este o matrice, este format din coloane și rânduri. Grafica tridimensională există doar în imaginația noastră, deoarece ceea ce vedem pe monitor este o proiecție a unei figuri tridimensionale, iar noi înșine creăm spațiul. Astfel, vizualizarea graficelor poate fi doar raster și vectorială, iar metoda de vizualizare este doar un raster (un set de pixeli), iar modul în care este specificată imaginea depinde de numărul acestor pixeli.
În epoca primelor afișaje grafice (monitoare), existau afișaje CRT fără raster, cu control al fasciculului de electroni ca un osciloscop . Cifrele afișate de astfel de afișaje au fost pur vectoriale. Odată cu dezvoltarea software-ului și complexitatea sarcinilor în curs de rezolvare, afișajele grafice de acest tip au fost considerate nepromițătoare, deoarece nu permiteau formarea de imagini suficient de complexe. Un principiu similar al imaginii este utilizat în plotterele vectoriale . Diferența este că pe un afișaj vectorial, complexitatea imaginii este limitată de timpul de luminozitate ulterioară a fosforului , în timp ce pe un plotter vectorial nu există o astfel de limitare.
| Modele colorate | ||
|---|---|---|
| Vizualizarea informațiilor tehnice | |
|---|---|
| Zone |
|
| Tipuri de imagini |
|
| Personalități |
|
Domenii conexe |
|