Computergrafik (også computergrafik ) - et aktivitetsområde, hvor computere sammen med speciel software bruges som et værktøj både til at skabe (syntese) og redigere billeder og til at digitalisere visuel information modtaget fra den virkelige verden med det formål videre bearbejdning og opbevaring.
De første computere i 40'erne af det XX århundrede (" ABC ", 1942, " ENIAC ", 1946, " EDSAC ", 1949, " MESM ", 1950) blev udviklet og brugt strengt til beregninger og havde ikke separate midler til at arbejde med grafik. Men selv dengang forsøgte nogle entusiaster at bruge den første generation af computere på vakuumrør til at opnå og behandle billeder. Ved at programmere hukommelsen på computere og informationsoutputenheder bygget på basis af en matrix af elektriske lamper, var det muligt at opnå simple mønstre. Glødelamper tændt og slukket i en bestemt rækkefølge og danner billeder af forskellige figurer.
I slutningen af 1940'erne og begyndelsen af 1950'erne begyndte mange computere at bruge katodestrålerør (CRT'er) i form af oscilloskoper eller Williams-rør, som blev brugt som RAM. Teoretisk set kunne man ved at skrive 0 eller 1 i en bestemt rækkefølge til en sådan hukommelse vise et bestemt billede på skærmen, men i praksis blev dette ikke brugt. I 1952 skrev den britiske ingeniør Alexander Douglas ( Alexander Shafto "Sandy" Douglas ) tegneserien " OXO " (tic-tac-toe) til den programmerbare EDSAC-computer (1949), som blev det første computerspil i historien. Billedet af gitteret og nuller med krydser blev bygget ved at programmere Williams-røret eller tegnet på en tilstødende CRT.
I 1950'erne tillod computernes beregningsevne og perifere enheders grafiske muligheder ikke høje detaljer, men gjorde det muligt at vise billeder tegn for tegn på monitorskærme og standardprintere . Billeder blev bygget af alfanumeriske tegn (karaktergrafik, senere kaldet ASCII-grafik og ASCII-Art). Princippet er enkelt: Forskellen i tætheden af alfanumeriske tegn og menneskets manglende evne til at skelne detaljer på afstand gjorde det muligt at lave tegninger og pseudografiske objekter på en computer. Lignende billeder på papir blev skabt af maskinskrivere på skrivemaskiner i slutningen af det 19. århundrede.
I 1950 begyndte Ben Laposky , en entusiastisk matematiker, kunstner og tegner, at eksperimentere med oscilloskopskærmen og bygge komplekse dynamiske former kaldet oscilioner. Lysets dans blev skabt af de mest komplekse indstillinger på denne katodestråleenhed. Højhastighedsfotografering og specielle linser blev brugt til at tage billeder, senere blev der tilføjet pigmenterede filtre for at fylde billederne med farve.
I 1951, i militærcomputeren Whirlwind-I (på russisk "Whirlwind", "Hurricane"), senere indbygget i US Air Defense SAGE-systemet, blev en monitor først brugt som et middel til at vise visuel og grafisk information.
I 1955 blev Light Pen opfundet i laboratoriet på Massachusetts Institute of Technology (MIT ). Det er en lysfølsom computerinputenhed. Den er baseret på en stylus, der bruges til at vælge tekst, tegne billeder og interagere med brugergrænsefladeelementer på en computer eller skærm. Pennen fungerer kun godt med CRT-skærme, fordi de scanner skærmen pixel for pixel, hvilket giver computeren en måde at holde styr på den forventede scanningstid for elektronstrålen og bestemme pennens position ud fra det sidste scanningstidsstempel. I spidsen af pennen er en fotocelle , der udsender elektroniske impulser og samtidig reagerer på den maksimale glød, der svarer til det øjeblik, elektronstrålen passerer. Det er nok at synkronisere og matche pulsen med positionen af elektronkanonen for at bestemme præcis, hvor pennen peger.
Lyspenne blev meget brugt i computerterminaler i 1960'erne. Med fremkomsten af LCD-skærme (LCD) i 90'erne gik de praktisk talt i ubrug, da arbejdet med en lyspen blev umuligt med skærmene på disse enheder.
I 1957 opfandt ingeniør Russell Kirsch ( Russell A. Kirsch ) fra US National Bureau of Standards den første scanner til SEAC-computeren og modtog det første digitale billede på den - et scanningsfoto af hans søn Walden (eng. Walden).
I 60'erne af det XX århundrede begyndte den virkelige blomstring af computergrafik. Med fremkomsten af nye højtydende computere baseret på transistorer med skærme (2. generation af computere) og senere på mikrokredsløb (3. generation af computere), blev computergrafik ikke kun entusiasters sfære, men en seriøs videnskabelig og praktisk retning i udvikling af computerteknologier. De første supercomputere dukkede op ( СDС 6600 og Cray-1), hvilket gjorde det muligt at arbejde ikke kun med hurtige beregninger, men også med computergrafik på et nyt niveau.
I 1960 opfandt designingeniør William Fetter ( William Fetter ) fra Boeing Aircraft Corporation (eng. Boeing) først udtrykket "computergrafik". Ved at tegne designet af et flys cockpit på en fungerende computer besluttede han på denne måde at beskrive arten af sin aktivitet i den tekniske dokumentation. I 1964 skabte William Vetter også en trådgrafisk model af en person på en computer kaldet "Boeing Man", også kendt som "den første person", som senere blev brugt i tv-reklamer i 70'erne.
I 1962 udviklede MIT-programmøren Steve Russell et separat grafikprogram på en DEC PDP-1 computer, computerspillet Spacewar! ". Dens oprettelse tog omkring 200 mandetimer . Spillet brugte et joystick og havde interessant fysik med flot grafik. Det første computerspil, men uden grafik, kan dog betragtes som programmet af Alexander Douglas "OXO" ("Tic-Tac-Toe", 1952)
I 1963, på basis af TX-2 computeren, skabte en amerikansk softwareingeniør fra MIT, computergrafikpioneren Ivan Sutherland (Ivan Edward Sutherland ) Sketchpad software- og hardwaresystemet , som gjorde det muligt at tegne punkter, linjer og cirkler på et rør med en lyspen. Grundlæggende handlinger med primitiver blev understøttet: flytning, kopiering osv. Faktisk var det den første vektoreditor , der blev prototypen på moderne CAD (computer-aided design systems), såsom AutoCAD eller Compass-3D. Dette program kan også betragtes som det første grafiske interface, udgivet 10 år før Xerox Alto (1973), før selve udtrykket dukkede op. I 1968 skabte Ivan Sutherland prototypen på den første virtual reality computerhjelm , kaldet "Damokles sværd" i analogi med den antikke græske legende.
I midten af 1960'erne. der var udvikling inden for industrielle anvendelser af computergrafik. Så under ledelse af T. Mofett og N. Taylor udviklede Itek en digital elektronisk tegnemaskine (plotter).
I 1963 udviklede Bell Labs programmør Edward E. Zajac den første computeranimation af en satellit, der bevægede sig rundt om Jorden. Animationen viste en teoretisk satellit, der brugte gyroskoper til at bevare sin orientering i forhold til Jorden. Al computerbehandling blev udført på IBM 7090- eller 7094-computere ved hjælp af ORBIT-programmet.
I de efterfølgende år blev andre, mere komplekse og betydningsfulde animationer udgivet: "Tesseract" ("Tesseract", aka "Hypercube", 1965) af Michael Knoll fra " Bell Labs ", "Hummengbird" ("Hummingbird", 1967.) Charles Zuri og James Shafers, "Kitty" (1968) af Nikolai Konstantinov, "Metadata" ("Metadata", 1971) af Peter Faulders, etc.
I 1964 blev IBM 2250, den første kommercielle grafikterminal til IBM/360 mainframen, frigivet.
I 1964 introducerede General Motors sammen med IBM DAC-1 computerstøttet designsystem.
I 1967 designer professor Douglas Carl Engelbart den første computermus (XY-koordinatmarkør) og viser dens muligheder på en udstilling i San Francisco i 1968.
I 1967 beskriver IBM- medarbejder Arthur Appel en algoritme til at fjerne usynlige kanter (inklusive delvist skjulte), senere kaldet strålestøbning, udgangspunktet for moderne 3D-grafik og fotorealisme.
I 1968 [1] i USSR skabte en gruppe ledet af N. N. Konstantinov en computermodel til at simulere en kats bevægelse. BESM -4- maskinen , der udfører det skrevne program til løsning af differentialligninger, tegnede tegneserien " Kitty " [2] - et gennembrud for sin tid. Lignende bevægelsesdynamikalgoritmer blev først genopdaget i Vesten i 80'erne. En alfanumerisk printer blev brugt til gengivelsen .
I samme år Computergrafik gør betydelige fremskridt med fremkomsten af muligheden for at gemme billeder og vise dem på en computerskærm - et katodestrålerør . De første rastermonitorer vises.
I 1970'erne dukkede de første farveskærme og farvegrafik op – et nyt gennembrud i udviklingen af computergrafik. Supercomputere med farveskærme begyndte at blive brugt til at skabe specielle effekter i film. Den første brug af CGI i en spillefilm var i Westworld , udgivet i 1973 [3] . Så kom CGI fantasy-eposen Star Wars fra 1977 instrueret af George Lucas , Fox science fiction -gyserfilmen Alien fra det 20. århundrede og instrueret af Ridley Scott , den senere undervurderede sci-fi-film fra 1982. Tron "(eng. Tron) af Walt Disney Studios og instrueret af Steven Lisberger ). I denne periode blev computere endnu hurtigere, de blev lært at tegne 3D-billeder, tredimensionel grafik opstod og en ny retning for visualisering - fraktal grafik . Personlige computere dukkede op med grafiske grænseflader ved hjælp af en computermus ( Xerox Alto , 1973).
I 1971 udviklede matematikeren Henri Gouraud , i 1972 Jim Blinn og i 1973 Bui Tuong Fong skyggemodeller, der tillader grafik at gå ud over fladheden og nøjagtigt afbilde scenedybden. Jim Blinn blev en innovator inden for bump mapping, en teknik til modellering af ujævne overflader, og Phongs algoritme blev efterfølgende den vigtigste i moderne computerspil.
I 1972 skaber computergrafikpioneren Edwin Catmull det første 3D-billede, en tråd- og tekstureret model af sin egen venstre hånd.
I 1973 dukkede den første computer op med et fuldt grafisk interface - Xerox Alto .
I 1975 bygger den franske matematiker Benoît B. Mandelbrot , der programmerer en IBM-modelcomputer, et billede af resultaterne af beregningen af en kompleks matematisk formel (Mandelbrot-sæt), og som et resultat af at analysere de opnåede gentagne mønstre giver han smukke billeder navnet "fractal" (fra lat. . fraktioneret, brudt). Der er fraktal geometri og en ny lovende retning inden for computergrafik - fraktal grafik.
I slutningen af 1970'erne, med fremkomsten af personlige computere af 4. generation - på mikroprocessorer , flytter grafik fra industrielle systemer til arbejdspladser og til almindelige brugeres hjem. Videospil- og computerspilindustrien er ved at opstå. Den første masseproducerede personlige computer med farvegrafik var Apple II PC (1977)
I 1980'erne, med udviklingen af personlige computere, bliver grafikken mere detaljeret og farvegengivelse (billedopløsningen øges, og farvepaletten udvides). Der er mange modeller af hjemmecomputere, der primært bruges til computerspil , så de fleste af dem har en grafiktilstand. IBM PC- computere dukker op (1981), med videokort MDA , CGA , EGA , VGA , SVGA [4] . De første standarder for filgrafiske formater blev udviklet, såsom GIF (1987). Computergrafiksystemer og grafiske arbejdsstationer bliver produceret, og grafisk modellering er ved at opstå.
Videnskabelig grafik - de første computere blev kun brugt til at løse videnskabelige og industrielle problemer. For bedre at forstå de opnåede resultater blev de behandlet grafisk, grafer , diagrammer, tegninger af de beregnede strukturer blev bygget. Den første grafik på maskinen blev opnået i symbolsk udskrivningstilstand. Så dukkede specielle enheder op - grafplottere (plottere) til at tegne tegninger og grafer med en blækpen på papir. Moderne videnskabelig computergrafik gør det muligt at udføre beregningsmæssige eksperimenter med en visuel repræsentation af deres resultater.
Forretningsgrafik er et område med computergrafik designet til visuelt at repræsentere forskellige indikatorer for institutionernes arbejde. Planlagte indikatorer, rapporteringsdokumentation, statistiske rapporter - det er de objekter, som illustrative materialer er skabt til ved hjælp af forretningsgrafik. Business-grafiksoftware er inkluderet i regneark .
Designgrafik bruges i arbejdet med designingeniører, arkitekter, opfindere. Dette er et obligatorisk element i CAD (design automation systems). Ved hjælp af designgrafik er det muligt at få både flade billeder (projektioner, snit) og rumlige tredimensionelle billeder.
Illustrativ grafik er vilkårlig tegning og tegning på monitorskærmen. De illustrative grafikpakker er til applikationssoftware til generelle formål. De enkleste softwareværktøjer til illustrativ grafik kaldes grafiske editorer.
Kunstnerisk grafik og reklamegrafik er blevet populært hovedsagelig på grund af tv . Ved hjælp af en computer skabes reklamer, tegnefilm , computerspil, videotutorials, videopræsentationer. Grafikpakker til disse formål kræver store computerressourcer med hensyn til hastighed og hukommelse. Et karakteristisk træk ved disse grafikpakker er evnen til at skabe realistiske billeder og levende billeder. At opnå tegninger af tredimensionelle objekter, deres rotationer, tilnærmelser, fjernelser, deformationer er forbundet med en stor mængde beregninger. Overførslen af belysningen af et objekt, afhængigt af lyskildens position, på skyggernes placering, på overfladens tekstur, kræver beregninger, der tager højde for optikkens love.
Pixelkunst er pixelkunst, en vigtig form for digital kunst, skabt ved hjælp af rastergrafiksoftware, hvor billeder redigeres på pixelniveau. I den forstørrede del af billedet fremstår de enkelte pixels som firkanter og er nemme at se. I digitale billeder er en pixel (eller billedelement) et enkelt punkt i en bitmap. Pixels er placeret på et almindeligt todimensionelt gitter og er ofte repræsenteret af prikker eller firkanter. Grafikken i de fleste ældre (eller relativt begrænsede) computer- og videospil, grafiske lommeregnerspil og mange mobiltelefonspil er for det meste pixel art.
Computeranimation er produktion af levende billeder på en skærm. Kunstneren skaber på skærmen tegninger af begyndelses- og slutpositioner af bevægelige objekter; alle mellemtilstande beregnes og vises af computeren, der udfører beregninger baseret på den matematiske beskrivelse af denne type bevægelse. Sådan animation kaldes keyframe-animation . Der findes også andre typer computeranimation: Procedurel animation , formanimation , programanimation og animation, hvor kunstneren selv tegner alle rammerne i hånden. De resulterende tegninger, sekventielt vist på skærmen med en vis frekvens, skaber illusionen af bevægelse.
Multimedie er kombinationen af et højkvalitetsbillede på en computerskærm med lyd. Multimediesystemer er mest udbredt inden for uddannelse, reklame og underholdning.
Computergrafik er også et af de videnskabelige aktiviteter. Inden for computergrafik forsvares afhandlinger, og der afholdes forskellige konferencer:
I henhold til måderne at indstille billeder på, kan grafik opdeles i kategorier:
Todimensionel (2D - fra engelsk to dimensioner - "to dimensioner") computergrafik klassificeres efter typen af præsentation af grafisk information og følgende billedbehandlingsalgoritmer. Normalt er computergrafik opdelt i vektor og raster, selvom den fraktale type billedrepræsentation også er isoleret.
VektorgrafikVektorgrafik repræsenterer et billede som et sæt geometriske primitiver. Normalt er punkter, lige linjer, cirkler , rektangler valgt som dem , og også, som et generelt tilfælde, kurver af en bestemt rækkefølge. Objekter tildeles nogle attributter, for eksempel stregtykkelse, fyldfarve. Tegningen er gemt som et sæt af koordinater, vektorer og andre tal, der karakteriserer et sæt af primitiver. Når du gengiver overlappende objekter, har deres rækkefølge betydning.
Billedet i vektorformat giver plads til redigering. Billedet kan skaleres, roteres, deformeres uden tab, og efterligningen af tredimensionalitet i vektorgrafik er lettere end i rastergrafik. Faktum er, at hver sådan transformation faktisk udføres sådan: det gamle billede (eller fragmentet) slettes, og et nyt bygges i stedet. Den matematiske beskrivelse af en vektortegning forbliver den samme, kun værdierne af nogle variabler, såsom koefficienter, ændres.
Når du konverterer et rasterbillede, er de indledende data kun en beskrivelse af et sæt pixels, så problemet opstår med at erstatte et mindre antal pixels med et større (når det øges), eller et større med et mindre (ved faldende) ). Den enkleste måde er at erstatte en pixel med flere af samme farve (kopier nærmeste pixelmetode: Nearest Neighbor). Mere avancerede metoder bruger interpolationsalgoritmer, hvor nye pixels modtager en vis farve, hvis kode beregnes ud fra farvekoderne for nabopixels. Tilsvarende udføres skalering i Adobe Photoshop ( bilineær og bikubisk interpolation ).
Samtidig kan ikke alle billeder repræsenteres som et sæt af primitiver. Denne præsentationsmetode er god til diagrammer, bruges til skalerbare skrifttyper, forretningsgrafik, er meget udbredt til at lave tegnefilm og kun videoer med forskelligt indhold.
RastergrafikRastergrafik fungerer altid på et todimensionalt array (matrix) af pixels. Hver pixel tildeles en værdi for lysstyrke, farve, gennemsigtighed eller en kombination af disse værdier. Et bitmapbillede har et antal rækker og kolonner.
Uden meget tab kan rasterbilleder kun reduceres, selvom nogle detaljer i billedet så forsvinder for altid, hvilket er anderledes i vektorrepræsentationen. Forstørrende bitmaps bliver dog til en visning af forstørrede firkanter af en eller anden farve, som plejede at være pixels.
Ethvert billede kan repræsenteres i en rasterform, men denne lagringsmetode har sine ulemper: en større mængde hukommelse, der kræves til at arbejde med billeder, tab under redigering.
Rastergrafik bruges af designere, animatorer, kunstnere, der arbejder med individuelle grafiske værker og ordrer til individuelt salg. Rasterbilleder kommer ikke i omløb og bruges ikke i massesalg, da billedet med en stigning i størrelse mister kvalitet, dog er det rastergrafik, der giver dig mulighed for at lave næsten maleriske værker, mere gennemarbejdede designs og hurtigere udviklinger, hvilket redigeres og gengives derefter om nødvendigt ønsket format ved hjælp af vektorprogrammer.
Fraktal grafikEn fraktal er et objekt, hvis individuelle elementer arver egenskaberne fra overordnede strukturer. Da en mere detaljeret beskrivelse af elementer i mindre skala sker efter en simpel algoritme, kan et sådant objekt beskrives med blot nogle få matematiske ligninger.
Fraktaler gør det muligt at beskrive hele klasser af billeder, hvis detaljerede beskrivelse kræver relativt lidt hukommelse. På den anden side er fraktaler dårligt anvendelige til billeder uden for disse klasser.
Tredimensionel grafik (3D - fra det engelske three dimensions - "three dimensions") opererer med objekter i tredimensionelt rum. Typisk er resultaterne et fladt billede, en projektion . Tredimensionel computergrafik er meget udbredt i film og computerspil.
Tredimensionel grafik er polygonal og voxel . Voxel-grafik ligner rastergrafik. Et objekt består af et sæt tredimensionelle former, oftest terninger. Og i polygonal computergrafik er alle objekter normalt repræsenteret som et sæt overflader, minimumsfladen kaldes en polygon . Trekanter er normalt valgt som en polygon.
I modsætning til 2D-grafik bruger 3D-grafik en tredimensionel repræsentation af geometriske data. Af hensyn til ydeevnen gemmes dette på computeren. Dette inkluderer billeder, der kan være til senere visning eller til livevisning.
Alle visuelle transformationer i vektor (polygonal) 3D-grafik styres af matricer (se også: affin transformation i lineær algebra ). Tre typer matricer bruges i computergrafik:
Enhver polygon kan repræsenteres som et sæt koordinater af dens hjørner . Så trekanten vil have 3 spidser. Koordinaterne for hvert toppunkt er en vektor (x, y, z). Ved at gange en vektor med den tilsvarende matrix får vi en ny vektor. Efter at have lavet en sådan transformation med alle polygonens hjørner, får vi en ny polygon, og ved at transformere alle polygonerne får vi et nyt objekt roteret/forskydt/skaleret i forhold til den oprindelige.
3D-konkurrencer afholdes årligt, såsom Magick next-gen eller Dominance War .
CGI ( eng. computer-generated imagery , lit. "computer-generated images") - billeder opnået af en computer baseret på beregning og brugt i billedkunst , trykning , filmiske specialeffekter , på tv og i simulatorer . Bevægende billeder er skabt af computeranimation , som er et smallere felt af CGI-grafik.
For at overføre og gemme farve i computergrafik bruges forskellige former for dens repræsentation. Generelt er en farve et sæt tal, koordinater i et eller andet farvesystem.
Standardmåderne til lagring og behandling af farve i en computer skyldes egenskaberne ved menneskets syn. De mest almindelige systemer er RGB til skærme og CMYK til print.
Nogle gange bruges et system med mere end tre komponenter. Kildens reflektions- eller emissionsspektrum er kodet, hvilket giver en mere præcis beskrivelse af farvens fysiske egenskaber. Sådanne skemaer bruges i fotorealistisk 3D-gengivelse.
Ethvert billede på skærmen bliver i kraft af sit plan et raster, da skærmen er en matrix, den består af kolonner og rækker. Tredimensionel grafik eksisterer kun i vores fantasi, da det, vi ser på skærmen, er en projektion af en tredimensionel figur, og vi selv skaber rummet. Visualisering af grafik kan således kun være raster og vektor, og visualiseringsmetoden er kun et raster (et sæt pixels), og måden billedet specificeres på afhænger af antallet af disse pixels.
I æraen med de allerførste grafiske skærme (skærme) var der CRT-skærme uden raster med elektronstrålestyring som et oscilloskop . De tal, der blev vist af sådanne skærme, var udelukkende vektorer. Med udviklingen af software og kompleksiteten af opgaverne, der blev løst, blev grafiske skærme af denne type betragtet som lovende, da de ikke tillod dannelsen af tilstrækkeligt komplekse billeder. Et lignende billeddannelsesprincip bruges i vektorplottere . Forskellen er, at på en vektorvisning er billedets kompleksitet begrænset af fosforens efterglødende tid , mens der på en vektorplotter ikke er en sådan begrænsning.
| Farvemodeller | ||
|---|---|---|
| Visualisering af teknisk information | |
|---|---|
| Områder |
|
| Billedtyper _ |
|
| Personligheder |
|
| Beslægtede områder |
|