В развитие компьютерной графики и. История компьютерной графики в россии. Понятие и история компьютерной графики

Компьютерная графика (КГ) Это область деятельности, в которой компьютеры используются как инструмент для синтеза (создания) изображений, так и для обработки визуальной информации, полученной из реального мира. Также компьютерной графикой называют результат такой деятельности.

Первые шаги: КГ и военные «Мы живем во времена механических и электронных чудес. Одно из них создано в Массачусетском технологическом институте для военно-морского флота» В декабре 1951 года американские телезрители в одной из телепередач увидели представление (презентацию) электронного компьютера Whirlwind ("Вихрь-1"). Вел передачу обозреватель Эдвард Мюрроу, который общался напрямую с компьютерной лабораторией MIT (Массачусетского технологического института). Зрители увидели на экране нечто похожее на слова, составленные из огней иллюминации: “ХЕЛЛО, М-Р МЮРРОУ”. На самом деле никаких лампочек не было - это светились яркие точки на экране дисплея, на ЭЛТ.

Электронный компьютер «Вихрь» Требовалось рассчитать расход топлива, траекторию полета и скорость ракеты «Викинг» (для Пентагона). Телезрители увидели, как на экране «Вихря» появились графики, пути, скорости и расхода топлива ракеты для типичного полета (составлены из светящихся точек) Джей У. Форрест

Назначение «Вихря» Для управления летным тренажером (40 -е гг.) «Вихрь» - первый цифровой компьютер, работающий в реальном времени – универсальная машина для различных систем. Для совершенствования системы противовоздушной обороны (ВВС США): – управление огнем, – противолодочная оборона, – управление воздушным движением Преимущества графического отображения

«Вихрь» - основа для 1 серийной модели компьютера со средствами интерактивной графики Вихрь телефонные линии Филде (близь Бостона) радиолокационная станция в Хэнском- Инструкции программистов для обработки серийных чисел: компьютер получал экранные координаты преобразовывал их в графическую форму рисовал на экране подобие карты Для работы оператора был создан световой пистолет: для получения подробной информации о самолете оператор прикасался стволом пистолета к отметке на экране, от пистолета в компьютер передавался импульс, программа выводила на экран данные о самолете.

КГ в инженерном проектировании Айвен Сазерленд - пионер компьютерной графики, создал первый интерактивный графический пакет «Sketchpad» , прообраз будущих САПР. Он продемонстрировал, что компьютерная графика может быть использована как для художественного и технического применения, в дополнение к демонстрации нового (для того времени) способа взаимодействия человека и компьютера. В качестве манипулятора использовалось световой перо, пришедшее на смену световому пистолету. Айвен Сазерленд прикоснулся кончиком светового пера к центру экрана монитора, где светилось слово «чернила» , от чего оно превратилось в маленький крестик. Затем, нажав одну из кнопок, Сазерленд начал двигать световое перо. На экране возникла ярко-зеленая линия, тянувшаяся от центра крестика к точке, в которой находилось перо. И куда бы оно ни перемещалось, линия следовала за ним. Нажав другую кнопку, Сазерленд оставил линию на экране и убрал световое перо.

Световое перо Содержит фотоэлемент непосредственно в своем корпусе или вне его. Принцип работы: по световоду из стеклянных нитей или проводам сигнал передается в корпус терминала. перо, направленное на экран, воспринимает световой сигнал в момент, когда электронный луч высветил какую-либо деталь изображения перед острием пера. данный сигнал электронная схема фиксирует и опознает, какую деталь указали. Для «рисования» пером: 1 способ: При нажатии на кнопку или корпус пера электронная схема генерирует на экране луч, пробегающий по экрану строками. Экран «вспыхивает» в данный момент. В некотором месте некоторой строки перо воспринимает сигнал, обработав его, схема определяет положение пера. 2 способ: на экран дополнительно выводится маркер – группа точек или маленьких штрихов. Перо наводится на маркер, и тут начинает работать система слежения: маркер «движется» за пером (схема отслеживает какие точки маркера засвечивают перо, а какие нет). Координаты центра маркера передаются в программу и могут быть использованы.

ТХ-2 и «Блокнот» (1961 -1962 гг.) Состав ТХ-2: – световое перо, – экран на электронно-лучевой трубке, – «гигантская» память (286000 байт), – кнопочный блок. Подпрограммы «Блокнота»: перемещение крестика за пером по экрану, запоминание координат крестика в момент нажатия кнопки, вычисление координат новых точек, лежащих на прямой между первоначально заданной и текущей точкой, занесение нового отрезка в часть памяти компьютера, называемую буфером регенерации изображения, рисование дуги и полной окружности, части окружностей, сцепления, позволяющие строить объекты с заданными свойствами. Объект в «Блокноте» - точки, отрезки и дуги, соединенные между собой. 1963 г. – снят фильм о работе «Блокнота» . КГ стала применятся как средство проведения инженерных и конструкторских разработок в промышленности.

КГ: от единичных образов к признанию «General Motors» заключила соглашение с корпорацией IBM на разработку компьютерной системы DAC-1 (Design Augmented by Computers) для конструирования автомобилей (1964 г.). DAC-1: + позволяла проводить плавные кривые, которые нельзя описать простыми математическими формулами, - не имела средств для прямого рисования на экране (поэтому конструктор описывал очертания машины в программе или вводил в память компьютера обычный чертеж, переводя его при помощи специальной камеры в цифровую форму). + оператор мог манипулировать отдельными частями чертежа с помощью электронного планшета.

Единичные образы Интерес к применению новых, графических «способностей» компьютеров проявили: «LOCKHEED-GEORGIA» - компьютерные системы для конструирования самолетов; Нефтяные компании – компьютерные системы для составления карт по данным сейсмической разведки. Но все они создавались в единичном экземпляре для определенных целей!

Графические терминалы 1965 г. - компания IBM выпустила первый графический терминал IBM-2250 для работы с компьютерами серии «System-360» . - быстродействие программы недостаточно велико, чтобы можно было оперировать сложными изображениями, - операция вращения занимает много процессорного времени. 1968 г. - «Evans and Sutherland» создание новой системы LDS-1: возможность менять + сократилось время регенерации изображения, изображение с невиданной + число линий, выводимых на экран без мерцания возросло скоростью не менее чем в 100 раз - очень высокая стоимость (250000$, вдвое дороже IBM-2250) «Тetroniks» - создание запоминающей электронно-лучевой трубки (ЗЭЛТ), встраиваемой в терминал: + дешевая стоимость (4000$), - возможность работы только с плоскими изображениями, - медленный процесс построения изображения, - размытое, бледное изображение, - отсутствие возможности выборочного стирания частей изображения и вращения. Тем не менее изображения напоминали чертежи, о реалистичном изображении не было и речи

Расширение графических возможностей Растровые мониторы: + реалистичное изображение - высокие требования к памяти высокая стоимость, т. к. : до 60 -х гг. ЗУ компьютера строились преимущественно на дорогостоящих магнитных сердечниках (500000$ за миллион бит), с середины 60 -х гг. стали применять магнитный барабан (~ 30000$), который мог хранить данные для 10 кадров изображения. Растровые системы применяли на крупных электростанциях, в центрах управления метрополитеном и в научных лабораториях. НАСА для изучения поверхности Марса (1969 -1972 гг.).

Интегральные схемы (начало 70 -х гг.) Появились кадровые буферы на сдвиговых регистрах, выполненных в виде интегральных схем: + работают быстрее механических буферов на магнитных барабанах, - латентность (задержка между вводом информации и появлением ее на экране). ИС – это небольшой монокристалл кремния, содержащий множество электронных компонентов.

Запоминающие устройства с произвольным доступом (ЗУПД) 1968 г. – память ЗУПД = 256 бит, стоимость – 1$ за бит, конец 70 -х гг. - память ЗУПД = 1024 бит, 1973 г. - память ЗУПД = 4 Кб, 1975 г. - память ЗУПД = 16 Кб, 1980 г. - память ЗУПД = 64 Кб, 1983 г. - память ЗУПД = 256 Кб, 1984 г. - память ЗУПД = 1024 Кб=1 Мб! «… если бы стоимость автомобилей падала так же быстро, как цена ИС памяти, сегодня “роллс-ройс” можно было бы купить за 1$» Карл Макговер

1974 г. Работа над проблемой повышения качества изображений, получаемых со спутников, которые ведут наблюдение за с/х и лесными угодьями, минеральными ресурсами и т. д. Для этого разработчики снизили требования к памяти, используя для каждого изображения всего лишь несколько сотен цветов, т. е. создали таблицы выбора цветов, быстро приспособленных для многих областей применения машинной графики. Кадровый буфер хранит не саму информацию о цветах, а указатели на адреса памяти, где она записана. Так, кадровый буфер, в котором каждый пиксел описывается 8 битами, может дать только 256 сочетаний красного, зеленого и синего лучей ЭЛТ. Если же 8 бит задают адреса, то цвета можно выбирать из почти неограниченного набора оттенков, интенсивности и насыщенности. Более того, таблицу выбора можно перепрограммировать для определенных типов изображений. Т. о. ограниченная палитра позволяет получать плавные тени и хорошо различимые оттенки для каждого изображения.

КГ: взаимодействие человека и компьютера «Художники пишут картины, нанося краски на холст. Те, кто связан с компьютерной графикой, создают свои творения, придумывая математические функции, графики которых похожи на предметы» . Джеймс Блинн К середине 80 -х г. даже самые дешевые домашние компьютеры начали оснащать интегральными схемами, выполняющими основные графические функции. 70 -80 -е гг. – КГ все глубже проникает в повседневную жизнь.

КГ: массовое применение «Xerox» - выпустила 2000 компьютеров Alto, проводила стажировку для инженеров в области КГ. «Apple» (С. Джобс, С. Возняк) + «Xerox» = создали первый для серийного выпуска ПК «Лиза» , обладающего широкими графическими возможностями и оснащенного манипулятором «мышь» . «Apple» выпустила ПК Macintosh - «дружественной» машины по отношению к пользователям. В к. 80 -х гг. : появляется оконный графический интерфейс, ПК оснащаться «мышью» , развивается система WYSIWYG (What You See What You Get - что ты видишь, то ты и получишь), создаются первые настольные издательские системы (1986 г.), появляются программы для профессиональных художников и дизайнеров (1986 г.)

Аппаратные платформы КГ 1. Компьютеры Apple Macintosh применяются преимущественно художниками и дизайнерами-графиками, а также в полиграфии; 2. Компьютеры Silicon Graphics являются инструментом профессиональных аниматоров, а также конструкторовпроектировщиков в силу ряда технических характеристик. 3. Компьютеры РС применяются в графическом дизайне, полиграфии и даже анимации.

История развития КГ 1940 -1970 гг. – время больших компьютеров (эра до персональных компьютеров). Графикой занимались только при выводе на принтер. В этот период заложены математические основы. Особенности: пользователь не имел доступа к монитору, графика развивалась на математическом уровне и выводилась в виде текста, напоминающего на большом расстоянии изображение. Графопостроители появились в конце 60 -х годов и практически были не известны. 1971 -1985 гг. – появились персональные компьютеры, т. е. появился доступ пользователя к дисплеям. Роль графики резко возросла, но наблюдалось очень низкое быстродействие компьютера. Программы писались на ассемблере. Появилось цветное изображение (256). Особенности: этот период характеризовался зарождением реальной графики.

История развития КГ 1986 -1990 гг. – появление технологии Multimedia (Мультимедиа). К графике добавились обработка звука и видеоизображения, общение пользователя с компьютером расширилось. Особенности: – появление диалога пользователя с персональным компьютером; – появление анимации и возможности выводить цветное изображение. 1991 -2008 гг. – появление графики нашего дня Virtual Reality. Появились датчики перемещения, благодаря которым компьютер меняет изображения при помощи сигналов посылаемых на него. Появление стереоочков (монитор на каждый глаз), благодаря высокому быстродействию которых, производится имитация реального мира. Замедление развития этой технологии из-за опасения медиков, т. к. благодаря Virtual Reality можно очень сильно нарушить психику человека, благодаря мощному воздействию цвета на неё.

История компьютерной графики в России История компьютерной графики в СССР началась практически одновременно с её рождением в США.

1964 - Первая компьютерная визуализация В Институте прикладной математики (ИПМ), г. Москва, Ю. М. Баяковским и Т. А. Сушкевич продемонстрирован первый опыт практического применения машинной графики при выводе на характрон последовательности кадров, образующих короткий фильм с визуализацией обтекания цилиндра плазмой.

1968 Первый отечественный растровый дисплей В ВЦ АН СССР, на машине БЭСМ-6 установлен первый отечественный растровый дисплей, с видеопамятью на магнитном барабане весом 400 кг. Первая дипломная работа по машинной графике в Московском университете Фолкер Хаймер. Транслятор и интерпретатор для программного языка L^6. Рассматривается реализация языка L^6, предложенного Кеннетом Ноултоном для решения некоторых задач анимации. Первый в мире мультфильм, нарисованный компьютером. Сделан из последовательности распечаток, выполненных на перфоленте с помощью машины БЭСМ-4. Этот мультфильм в своё время был большим прорывом в области компьютерного моделирования, ибо картинка не просто нарисована, а получена решением уравнений, задающих движение кошки.

«Кошечка» Кадры фильма формировались путём печати символов БЭСМ-4 на бумаге с помощью АЦПУ-128, затем их готовил к «плёнке» профессиональный художник-мультипликатор. Именно ему принадлежат кадры (следующие за титрами), когда кошка строит рожицы и выгибает спину. Движение кошки моделировалось системой дифференциальных уравнений второго порядка. Вероятно, это первая компьютерная анимация, где использовался такой приём. Уравнения выводил Виктор Минахин. Так как добиться выполнения определенных движений от животного было тяжело, в основу уравнений легли его собственные движения: он ходил на четвереньках и отмечал последовательность работы мышц при этом. Другим важным техническим нововведением мультфильма было представление трехмерного анимируемого объекта в виде иерархической структуры данных, напоминающей октодерево. На западе подобные техники анимации были переоткрыты только в 80 -х годах XX века, хотя в биомеханике такие расчёты движения велись и раньше - с начала 1970 -х гг. Уравнения мультфильма не выводились исходя из физических моделей мышц и суставов животного, они составлены «на глазок» , чтобы воспроизводить типичную походку кошки. Тем не менее авторам удалось достигнуть реализма движений, который отметил, к примеру профессор Университета Огайо Рик Парент, автор фундаментальной книги «Компьютерная анимация: алгоритмы и технология» .

История создания «Кошечки» Мультфильм был начат в лаборатории Александра Кронрода института теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ), но после того, как лаборатория была закрыта, Константинов, вместе с коллективом создателей мультфильма перенесли работу сначала в Институт проблем управления (ИПУ), а затем в Педагогический институт им. Ленина. Перевод полученных при расчёте бумажных распечаток в форму мультфильма вёлся на кафедре научной кинематографии МГУ, которая и значится в титрах. При просчёте мультфильма на разных экземплярах БЭСМ-4 в разных институтах создателям пришлось столкнуться с проблемой несовместимости некоторых машинных кодов для них, из-за чего программу приходилось поправлять на ходу. Первый показ мультфильма состоялся в МГУ. Затем автор неоднократно демонстрировал его на своих лекциях для школьников. Спустя 6 лет в журнале «Проблемы кибернетики» была опубликована статья, подробно описывающая технику создания мультфильма.

1970 Выпущен первый обзор по машинной графике, представленный затем как доклад на Вторую Всесоюзную конференцию по программированию (ВКП-2). Штаркман В. С. , Баяковский Ю. М. Машинная графика. Препринт ИПМ АН СССР, 1970. Первая публикация на русском языке, в которой появилось словосочетание машинная графика.

Защищена первая диссертация в СССР по машинной графике Список нескольких диссертаций приводится ниже: Карлов Александр Андреевич Вопросы математического обеспечения дисплея со световым карандашом и его использование в задачах экспериментальной физики Дубна, 1972 Грин Виктор Михайлович Программное обеспечение для работы с трехмерными объектами на графических терминалах Новосибирск, 1973 Баяковский Юрий Матвеевич Анализ методов разработки графического обеспечения ЭВМ Москва, 1974 Злотник Евгений Матвеевич Разработка и исследование комплекса технических средств и методики проектирования оперативной графической системы Минск, 1974 Лысый Семен Тимофеевич G 1 - Геометрическая система программного обеспечения ЭВМ Кишинев, 1976 Пигузов Сергей Юрьевич Разработка и исследование средств графического взаимодействия геофизика с ЭВМ при обработке данных сейсморазведки Москва, 1976

1976 На русском языке издана книга У. Ньюмена, Р. Спрулла «Основы интерактивной машинной графики» (под редакцией В. А. Львова).

1977 Первая встреча графиков - «региональная конференция» , но собралось достаточно представительное сообщество, получилась Всесоюзная.

1979 Первая всесоюзная конференция по машинной графике прошла в Новосибирске в сентябре. Список следующих конференций: Всесоюзная конференция по проблемам машинной графики Новосибирск, 1981 г. Всесоюзная конференция по проблемам машинной графики и цифровой обработки изображений Владивосток, 24 -26 сентября 1985 г. IV Всесоюзная конференция по машинной графике Протвино, 9 -11 сентября 1987 г. V Всесоюзная конференция по машинной графике "Машинная графика 89" Новосибирск, 31 октября-2 ноября 1989 г.

1979 Первый полутоновой цветной растровый дисплей Гамма-1 Первую пригодную к активному использованию в кино и телевидении дисплейную станцию «Гамма» создали в Институте прикладной физики в новосибирском академ. городке Владимир Сизых, Петр Вельтмандер, Алексей Бучнев, Владимир Минаев и др. Разрешение первой станции было 256× 6 бит, и затем непрерывно увеличивалось. Дисплейная станция Гамма 7. 1 обеспечивала разрешение 1024*768 для прогрессивной развертки монитора 50 Гц и имела объём видеопамяти 1 Мб. Во второй половине 1980 -х гг. «Гамма» , выпускавшаяся серийно, поставлялась и успешно эксплуатировалась государственными телецентрами страны.

1981 Выход графического пакета Атом Разработка пакета была инициирована Ю. М. Баяковским. За основу была взята пропагандируемая им тогда Core System (Каминский, Клименко, Кочин).

1983 Первый спецкурс по машинной графике Ю. М. Баяковский начал читать годовой спецкурс по машинной графике для студентов факультета Вычислительной математики и кибернетики Московского государственного университета. С 1990 г. курс читается как обязательный для студентов второго года обучения.

1985 Первый доклад принят на Eurographics 1985 «Пробили окно в графическую Европу» - первый доклад из СССР принят на конференцию Eurographics 1985. Однако, поскольку Перестройка ещё не началась, то докладчикам не разрешили выехать из СССР, и первый раз советская делегация посетила конференцию только в 1988 году.

1986 Пакет Атом-85 выходит в ЦЕРН Графический пакет Атом-85 выпущен в ЦЕРН, где активно использовался (наравне с Графором) для задач иллюстративной графики (Клименко, Кочин, Самарин).

Граница 80 -х и 90 -х годов Спрос на исследования и разработки на внутрироссийском рынке упал практически до нуля, и вместе с тем исчезли традиционные (советские) возможности финансирования. Но открылись возможности международного сотрудничества. Это привело к кардинальному изменению тематики и условий работы, а также требований к научно-исследовательским и опытно-конструкторским работам (НИОКР).

1990 Организована первая российская компания компьютерной графики «Драйв» В 1989 году, Александр Пекарь, Сергей Тимофеев и Владимир Соколов организовали студию компьютерной графики на ВПТО «Видеофильм» , которая спустя год стала первой самостоятельной компанией компьютерной графики, переместившись изпод крыла «Видеофильма» в Центральный павильон ВДНХ.

1991 В феврале в Москве прошла первая международная конференция по компьютерной графике и зрению Графи. Кон"91 Организована Академией наук СССР в лице Института прикладной математики имени М. В. Келдыша АН СССР, Союзом Архитекторов СССР и некоторыми другими организациями при содействии и поддержке международной ассоциации ACM Siggraph (США). Американские гости: Эд Кэтмулл (президент компании «Pixar» , сделавший с Джорджем Лукасом Звездные войны) Джон Ласситер («Pixar» , автор фильма «Tin Toy») Джим Кларк (создатель компании «Silicon Graphics» , законодатель мод в области профессиональных графических станций) Первым российским лауреатом на международном конкурсе PRIX ARS ELECTRONICA в номинации Computer Animation стал коллектив из Новосибирска.

1993 Проведен первый фестиваль компьютерной графики и анимации АНИГРАФ"93 В 1992 году Владимиром Лошкарёвым, руководителем фирмы «Joy Company» , занимающейся продвижением на российский рынок пакетов графических программ и оборудования, была организована первая научно-практическая конференция по компьютерной графике. Тогда и пришла идея фестиваля, сочетающего в себе и техническую сторону, и коммерцию, и чистое творчество. Фестиваля АНИГРАФ был организован при участии ВГИКа, сопредседателем оргкомитета стал Сергей Лазарук (проректор по научной и творческой работе ВГИКа). На выставке были представлены все крупнейшие производители графических станций. На творческом конкурсе было представлено более 50 работ. К сожалению, до десятилетнего юбилея фестиваль не дожил, и был закрыт как коммерчески несостоятельный.

1994 Первая компьютерная графика в отечественном кино В фильме «Утомленные солнцем» эпизод с шаровой молнией был подготовлен компанией «Render Club» .

1996 Первые попытки собрать и систематизировать исторические факты Timour Paltashev. Russia: Computer Graphics -Between the Past and the Future. Computer Graphics, vol. 30, No. 2, May 1996. Special issue: Computer Graphics Around the World. Yuri Bayakovsky. Russia: Computer Graphics Education Takes Off in the 1990"s. Computer Graphics, Vol. 30, No. 3, August 1996. Special issue: Computer Graphics Education -- Worldwide Effort

2000 -2001 гг. 2000 г. - Спецвыпуск журнала Computer&Graphics Vol. 24 «Computer Graphics in Russia» . 2001 г. - Появление виртуальной реальности в России. В Протвино прошла первая конференция из серии VEon. PC с демонстрацией созданной группой Станислава Клименко в кооперации с Мартином Гебелем (ИМК, С. Августин) первой в России установки виртуальной реальности.

2003 Первая конференция КРИ-2003 разработчиков компьютерных игр 21 и 22 марта 2003 года в Московском Государственном Университете состоялась первая международная Конференция Разработчиков компьютерных Игр (КРИ) в России, организованная DEV. DTF. RU - ведущим специализированным ресурсом в Рунете для игровых разработчиков и издателей. КРИ 2003 впервые в истории российской игровой индустрии собрала для обмена опытом и обсуждения самых различных проблем практически всех профессионалов отрасли. В КРИ 2003 приняло участие около 40 компаний из России, а также ближнего и дальнего зарубежья, действующих как в сфере разработки, так и издания игрового ПО, а общее число посетителей конференции, по различным оценкам, составило от 1000 до 1500 человек.

2006 Первая практическая конференция по компьютерной графике и анимации CG Event-2006 Вдохновленные конференцией SIGGRAPH, автором книги «Понимая Maya» Сергей Цыпцын и создателем сайта cgtalk. ru Александр Костин была организована первая практическая конференция по компьютерной графике CG Event, ставшая идейной наследницей фестиваля АНИГРАФ. В первой же CG Event участвовало более 500 человек, и в последующем количество участников только росло.

История развития компьютерной
графики

Компьютерная графика (КГ)

Это область деятельности, в которой
компьютеры используются как инструмент
для синтеза (создания) изображений, так и
для обработки визуальной информации,
полученной из реального мира.
Также компьютерной графикой называют
результат такой деятельности.

Первые шаги: КГ и военные

«Мы живем во времена механических и электронных чудес.
Одно из них создано в Массачусетском технологическом
институте для военно-морского флота»
В декабре 1951 года американские телезрители в одной
из телепередач увидели представление (презентацию)
электронного компьютера Whirlwind ("Вихрь-1").
Вел передачу обозреватель Эдвард Мюрроу, который
общался напрямую с компьютерной лабораторией MIT
(Массачусетского технологического института).
Зрители увидели на экране нечто похожее на слова,
составленные из огней иллюминации: “ХЕЛЛО, М-Р
МЮРРОУ”.
На самом деле никаких лампочек не было - это
светились яркие точки на экране дисплея, на ЭЛТ.

Электронный компьютер «Вихрь»

Требовалось
рассчитать
расход
топлива,
траекторию
полета
и
скорость ракеты «Викинг»
(для Пентагона).
Телезрители увидели, как
на
экране
«Вихря»
появились графики, пути,
скорости и расхода топлива
ракеты для типичного
полета (составлены из
светящихся точек)
Джей У.Форрест

Назначение «Вихря»

Для управления летным тренажером (40-е гг.)
«Вихрь» - первый цифровой компьютер,
работающий в реальном времени –
универсальная машина для различных систем.
Для
совершенствования
системы
противовоздушной обороны (ВВС США):
– управление огнем,
– противолодочная оборона,
– управление воздушным движением
Преимущества
графического
отображения

«Вихрь» - основа для 1 серийной модели компьютера со средствами интерактивной графики

Вихрь
телефонные линии
Хэнском-Филде (близь Бостона)
радиолокационная
станция
в
Инструкции программистов для обработки серийных чисел:
компьютер получал экранные координаты
преобразовывал их в графическую форму
рисовал на экране подобие карты
Для работы оператора был создан световой пистолет:
для получения подробной информации о самолете
оператор прикасался стволом пистолета к отметке на
экране,
от пистолета в компьютер передавался импульс,
программа выводила на экран данные о самолете.

КГ в инженерном проектировании

Айвен Сазерленд - пионер компьютерной
графики, создал первый интерактивный
графический пакет «Sketchpad», прообраз
будущих САПР.
Он продемонстрировал, что компьютерная
графика может быть использована как для
художественного и технического применения,
в дополнение к демонстрации нового (для
того времени) способа взаимодействия
человека и компьютера.
В качестве манипулятора использовалось
световой перо, пришедшее на смену
световому пистолету.
Айвен Сазерленд
Сазерленд прикоснулся кончиком светового пера к центру экрана монитора, где
светилось слово «чернила», от чего оно превратилось в маленький крестик. Затем,
нажав одну из кнопок, Сазерленд начал двигать световое перо. На экране возникла
ярко-зеленая линия, тянувшаяся от центра крестика к точке, в которой находилось
перо. И куда бы оно ни перемещалось, линия следовала за ним. Нажав другую кнопку,
Сазерленд оставил линию на экране и убрал световое перо.

Световое перо

Содержит фотоэлемент непосредственно в своем
корпусе или вне его.
Принцип работы:
по световоду из стеклянных нитей или проводам
сигнал передается в корпус терминала.
перо, направленное на экран, воспринимает
световой сигнал в момент, когда электронный луч
высветил какую-либо деталь изображения перед
острием пера.
данный сигнал электронная схема фиксирует и
опознает, какую деталь указали.
Для «рисования» пером:
1 способ: При нажатии на кнопку или корпус пера электронная схема генерирует на экране
луч, пробегающий по экрану строками. Экран «вспыхивает» в данный момент. В некотором
месте некоторой строки перо воспринимает сигнал, обработав его, схема определяет
положение пера.
2 способ: на экран дополнительно выводится маркер – группа точек или маленьких штрихов.
Перо наводится на маркер, и тут начинает работать система слежения: маркер «движется» за
пером (схема отслеживает какие точки маркера засвечивают перо, а какие нет). Координаты
центра маркера передаются в программу и могут быть использованы.

ТХ-2 и «Блокнот» (1961-1962 гг.)

Состав ТХ-2:
– световое перо,
– экран на электронно-лучевой трубке,
– «гигантская» память (286000 байт),
– кнопочный блок.
Подпрограммы «Блокнота»:
перемещение крестика за пером по экрану,
запоминание координат крестика в момент нажатия кнопки,
вычисление координат новых точек, лежащих на прямой между
первоначально заданной и текущей точкой,
занесение нового отрезка в часть памяти компьютера, называемую буфером
регенерации изображения,
рисование дуги и полной окружности, части окружностей,
сцепления, позволяющие строить объекты с заданными свойствами.
Объект в «Блокноте» - точки, отрезки и дуги, соединенные между собой.
1963 г. – снят фильм о работе «Блокнота». КГ стала применятся как средство проведения
инженерных и конструкторских разработок в промышленности.

КГ: от единичных образов к признанию

«General Motors» заключила соглашение с корпорацией IBM на разработку
компьютерной системы DAC-1 (Design Augmented by Computers) для
конструирования автомобилей (1964 г.).
DAC-1:
+ позволяла проводить плавные кривые, которые нельзя описать
простыми математическими формулами,
- не имела средств для прямого рисования на экране (поэтому
конструктор описывал очертания машины в программе или вводил в
память компьютера обычный чертеж, переводя его при помощи
специальной камеры в цифровую форму).
+ оператор мог манипулировать отдельными частями чертежа с
помощью электронного планшета.

Единичные образы

Интерес к применению новых, графических «способностей» компьютеров
проявили:
«LOCKHEED-GEORGIA» - компьютерные системы для конструирования
самолетов;
Нефтяные компании – компьютерные системы для составления карт по
данным сейсмической разведки.
Но все они создавались в единичном экземпляре для определенных целей!

Графические терминалы

1965 г. - компания IBM выпустила первый графический терминал IBM-2250 для работы
с компьютерами серии «System-360».
- быстродействие программы недостаточно велико, чтобы можно было оперировать
сложными изображениями,
- операция вращения занимает много процессорного времени.
1968 г. - «Evans and Sutherland» создание новой системы LDS-1:
возможность менять
+ сократилось время регенерации изображения,
изображение с невиданной
+ число линий, выводимых на экран без мерцания возросло
скоростью
не менее чем в 100 раз
- очень высокая стоимость (250000$, вдвое дороже IBM-2250)
«Тetroniks» - создание запоминающей электронно-лучевой трубки (ЗЭЛТ),
встраиваемой в терминал:
+ дешевая стоимость (4000$),
- возможность работы только с плоскими изображениями,
- медленный процесс построения изображения,
- размытое, бледное изображение,
- отсутствие возможности выборочного стирания частей изображения и вращения.
Тем не менее изображения напоминали чертежи, о реалистичном изображении не было и речи

Расширение графических возможностей

Растровые мониторы:
+ реалистичное изображение
- высокие требования к памяти
высокая стоимость, т.к.:
до 60-х гг. ЗУ компьютера строились преимущественно на
дорогостоящих магнитных сердечниках (500000$ за миллион бит),
с середины 60-х гг. стали применять магнитный барабан (~ 30000$),
который мог хранить данные для 10 кадров изображения.
Растровые системы применяли на крупных электростанциях, в центрах
управления метрополитеном и в научных лабораториях.
НАСА для изучения поверхности Марса (1969-1972 гг.).

Интегральные схемы (начало 70-х гг.)

Появились кадровые буферы на сдвиговых регистрах, выполненных в
виде интегральных схем:
+ работают быстрее механических буферов на магнитных барабанах,
- латентность (задержка между вводом информации и появлением ее
на экране).
ИС – это небольшой монокристалл кремния, содержащий множество
электронных компонентов.

Запоминающие устройства с произвольным доступом (ЗУПД)

1968 г. – память ЗУПД = 256 бит, стоимость – 1$ за бит,
конец 70-х гг. - память ЗУПД = 1024 бит,
1973 г. - память ЗУПД = 4 Кб,
1975 г. - память ЗУПД = 16 Кб,
1980 г. - память ЗУПД = 64 Кб,
1983 г. - память ЗУПД = 256 Кб,
1984 г. - память ЗУПД = 1024 Кб=1 Мб!
«… если бы стоимость автомобилей падала так же быстро, как цена
ИС памяти, сегодня “роллс-ройс” можно было бы купить за 1$»
Карл Макговер

1974 г.

Работа над проблемой повышения качества изображений,
получаемых со спутников, которые ведут наблюдение за с/х и
лесными угодьями, минеральными ресурсами и т.д.
Для этого разработчики снизили требования к памяти, используя для
каждого изображения всего лишь несколько сотен цветов, т.е. создали
таблицы выбора цветов, быстро приспособленных для многих
областей применения машинной графики.
Кадровый буфер хранит не саму информацию о цветах, а указатели на адреса
памяти, где она записана. Так, кадровый буфер, в котором каждый пиксел
описывается 8 битами, может дать только 256 сочетаний красного, зеленого и
синего лучей ЭЛТ. Если же 8 бит задают адреса, то цвета можно выбирать из
почти неограниченного набора оттенков, интенсивности и насыщенности.
Более того, таблицу выбора можно перепрограммировать для определенных
типов изображений.
Т.о. ограниченная палитра позволяет получать плавные тени и хорошо
различимые оттенки для каждого изображения.

КГ: взаимодействие человека и компьютера

«Художники пишут картины, нанося краски на холст. Те, кто связан с
компьютерной
графикой,
создают
свои
творения,
придумывая
математические функции, графики которых похожи на предметы».
Джеймс Блинн
К середине 80-х г. даже самые дешевые домашние компьютеры начали
оснащать интегральными схемами, выполняющими основные графические
функции.
70-80-е гг. – КГ все глубже проникает в повседневную жизнь.

КГ: массовое применение

«Xerox» - выпустила 2000 компьютеров Alto, проводила стажировку для
инженеров в области КГ.
«Apple» (С.Джобс, С.Возняк) + «Xerox» = создали первый для серийного
выпуска ПК «Лиза», обладающего широкими графическими возможностями и
оснащенного манипулятором «мышь».
«Apple» выпустила ПК Macintosh - «дружественной» машины по отношению к
пользователям.
В к. 80-х гг.:
появляется оконный графический интерфейс,
ПК оснащаться «мышью»,
развивается система WYSIWYG (What You See What You Get - что ты видишь,
то ты и получишь),
создаются первые настольные издательские системы (1986 г.),
появляются программы для профессиональных художников и дизайнеров
(1986 г.)

Аппаратные платформы КГ

1. Компьютеры Apple Macintosh применяются преимущественно
художниками и дизайнерами-графиками, а также в полиграфии;
2. Компьютеры
Silicon
Graphics
являются
инструментом
профессиональных
аниматоров,
а
также
конструкторовпроектировщиков в силу ряда технических характеристик.
3. Компьютеры РС применяются в графическом дизайне, полиграфии и
даже анимации.

История развития КГ

1940-1970гг. – время больших компьютеров (эра до персональных
компьютеров).
Графикой занимались только при выводе на принтер. В этот период заложены
математические основы.
Особенности: пользователь не имел доступа к монитору, графика
развивалась на математическом уровне и выводилась в виде текста,
напоминающего на большом расстоянии изображение. Графопостроители
появились в конце 60-х годов и практически были не известны.
1971-1985гг. – появились персональные компьютеры, т.е. появился доступ
пользователя к дисплеям. Роль графики резко возросла, но наблюдалось
очень низкое быстродействие компьютера. Программы писались на
ассемблере. Появилось цветное изображение (256).
Особенности: этот период характеризовался зарождением реальной
графики.

История развития КГ

1986-1990гг. – появление технологии Multimedia (Мультимедиа).
К графике добавились обработка звука и видеоизображения, общение
пользователя с компьютером расширилось.
Особенности:
– появление диалога пользователя с персональным компьютером;
– появление анимации и возможности выводить цветное изображение.
1991-2008гг. – появление графики нашего дня Virtual Reality.
Появились датчики перемещения, благодаря которым компьютер меняет
изображения при помощи сигналов посылаемых на него.
Появление стереоочков (монитор на каждый глаз), благодаря высокому
быстродействию которых, производится имитация реального мира.
Замедление развития этой технологии из-за опасения медиков, т.к. благодаря
Virtual Reality можно очень сильно нарушить психику человека, благодаря
мощному воздействию цвета на неё.

История компьютерной графики в России

История компьютерной графики в СССР
началась практически одновременно с её
рождением в США.

1964 - Первая компьютерная визуализация

В Институте прикладной математики (ИПМ), г.Москва,
Ю.М.Баяковским и Т.А.Сушкевич продемонстрирован
первый опыт практического применения машинной
графики при выводе на характрон последовательности
кадров, образующих короткий фильм с визуализацией
обтекания цилиндра плазмой.

1968

Первый отечественный растровый дисплей
В ВЦ АН СССР, на машине БЭСМ-6 установлен первый отечественный
растровый дисплей, с видеопамятью на магнитном барабане весом
400 кг.
Первая
дипломная
работа
по
машинной
графике
в
Московском университете
Фолкер Хаймер. Транслятор и интерпретатор для программного языка
L^6. Рассматривается реализация языка L^6, предложенного
Кеннетом Ноултоном для решения некоторых задач анимации.
Первый в мире мультфильм, нарисованный компьютером.
Сделан из последовательности распечаток, выполненных на
перфоленте с помощью машины БЭСМ-4. Этот мультфильм в своё
время был большим прорывом в области компьютерного
моделирования, ибо картинка не просто нарисована, а получена
решением уравнений, задающих движение кошки.

«Кошечка» - первый нарисованный на компьютере мультфильм

«Кошечка»

Кадры фильма формировались путём печати символов БЭСМ-4 на бумаге с помощью
АЦПУ-128, затем их готовил к «плёнке» профессиональный художник-мультипликатор.
Именно ему принадлежат кадры (следующие за титрами), когда кошка строит рожицы и
выгибает спину.
Движение кошки моделировалось системой дифференциальных уравнений второго порядка.
Вероятно, это первая компьютерная анимация, где использовался такой приём. Уравнения
выводил Виктор Минахин. Так как добиться выполнения определенных движений от
животного было тяжело, в основу уравнений легли его собственные движения: он ходил на
четвереньках и отмечал последовательность работы мышц при этом.
Другим важным техническим нововведением мультфильма было представление трехмерного
анимируемого объекта в виде иерархической структуры данных, напоминающей октодерево.
На западе подобные техники анимации были переоткрыты только в 80-х годах XX века, хотя
в биомеханике такие расчёты движения велись и раньше - с начала 1970-х гг.
Уравнения
мультфильма
не
выводились
исходя
из
физических
моделей мышц и суставов животного, они составлены «на глазок», чтобы воспроизводить
типичную походку кошки. Тем не менее авторам удалось достигнуть реализма движений,
который отметил, к примеру профессор Университета Огайо Рик Парент, автор
фундаментальной книги «Компьютерная анимация: алгоритмы и технология».

История создания «Кошечки»

Мультфильм
был
начат
в
лаборатории
Александра
Кронрода института теоретической и экспериментальной физики
(ИТЭФ), но после того, как лаборатория была закрыта, Константинов,
вместе с коллективом создателей мультфильма перенесли работу
сначала в Институт проблем управления (ИПУ), а затем в
Педагогический институт им. Ленина.
Перевод полученных при расчёте бумажных распечаток в форму
мультфильма вёлся на кафедре научной кинематографии МГУ, которая
и значится в титрах.
При просчёте мультфильма на разных экземплярах БЭСМ-4 в разных
институтах создателям пришлось столкнуться с проблемой
несовместимости некоторых машинных кодов для них, из-за чего
программу приходилось поправлять на ходу.
Первый показ мультфильма состоялся в МГУ. Затем автор
неоднократно демонстрировал его на своих лекциях для школьников.
Спустя 6 лет в журнале «Проблемы кибернетики» была опубликована
статья, подробно описывающая технику создания мультфильма.

1970

Выпущен первый обзор по машинной
графике, представленный затем как доклад
на Вторую Всесоюзную конференцию по
программированию (ВКП-2).
Штаркман В.С., Баяковский Ю.М. Машинная
графика. Препринт ИПМ АН СССР, 1970.
Первая публикация на русском языке, в
которой появилось
словосочетание машинная графика.

1971

Первые кинофильмы с использованием
компьютера

1972

Первая библиотека графических программ
Графор

Защищена первая диссертация в СССР по машинной графике

Защищена первая диссертация в СССР по
машинной графике
Список нескольких диссертаций приводится ниже:
Карлов Александр Андреевич
Вопросы математического обеспечения дисплея со световым карандашом и его использование в
задачах экспериментальной физики
Дубна, 1972
Грин Виктор Михайлович
Программное обеспечение для работы с трехмерными объектами на графических терминалах
Новосибирск, 1973
Баяковский Юрий Матвеевич
Анализ методов разработки графического обеспечения ЭВМ
Москва, 1974
Злотник Евгений Матвеевич
Разработка и исследование комплекса технических средств и методики проектирования
оперативной графической системы
Минск, 1974
Лысый Семен Тимофеевич
G1 - Геометрическая система программного обеспечения ЭВМ
Кишинев, 1976
Пигузов Сергей Юрьевич
Разработка и исследование средств графического взаимодействия геофизика с ЭВМ при обработке
данных сейсморазведки
Москва, 1976

1976

На русском языке издана книга У.Ньюмена,
Р.Спрулла
«Основы
интерактивной
машинной графики» (под редакцией
В.А.Львова).

1977

Первая встреча графиков - «региональная
конференция», но собралось достаточно
представительное сообщество, получилась
Всесоюзная.

1979

Первая всесоюзная конференция по машинной графике прошла
в Новосибирске в сентябре.
Список следующих конференций:

Новосибирск, 1981 г.
Всесоюзная конференция по проблемам машинной графики
и цифровой обработки изображений
Владивосток, 24-26 сентября 1985 г.
IV Всесоюзная конференция по машинной графике
Протвино, 9-11 сентября 1987 г.
V Всесоюзная конференция по машинной графике "Машинная
графика 89"
Новосибирск, 31 октября-2 ноября 1989 г.

1979

Первый полутоновой цветной растровый дисплей Гамма-1
Первую пригодную к активному использованию в кино и
телевидении дисплейную станцию «Гамма» создали в
Институте прикладной физики в новосибирском академ.
городке Владимир Сизых, Петр Вельтмандер, Алексей Бучнев,
Владимир Минаев и др.
Разрешение первой станции было 256×256×6 бит, и затем
непрерывно увеличивалось.
Дисплейная станция Гамма 7.1 обеспечивала разрешение
1024*768 для прогрессивной развертки монитора 50Гц и имела
объём видеопамяти 1Мб.
Во второй половине 1980-х гг.
«Гамма», выпускавшаяся
серийно, поставлялась и успешно эксплуатировалась
государственными телецентрами страны.

1981

Выход графического пакета Атом
Разработка пакета была инициирована
Ю.М.Баяковским.
За основу была взята
пропагандируемая им тогда
Core System (Каминский,
Клименко, Кочин).

1983

Первый спецкурс по машинной графике
Ю.М. Баяковский начал читать годовой
спецкурс по машинной графике для
студентов факультета Вычислительной
математики и кибернетики Московского
государственного университета.
С 1990 г. курс читается как обязательный
для студентов второго года обучения.

1985

Первый доклад принят на Eurographics 1985
«Пробили окно в графическую Европу» первый доклад из СССР принят на
конференцию Eurographics 1985.
Однако, поскольку Перестройка ещё не
началась, то докладчикам не разрешили
выехать из СССР, и первый раз советская
делегация посетила конференцию только в
1988 году.

1986

Пакет Атом-85 выходит в ЦЕРН
Графический пакет Атом-85 выпущен в
ЦЕРН, где активно использовался (наравне
с Графором) для задач иллюстративной
графики (Клименко, Кочин, Самарин).

Граница 80-х и 90-х годов

Спрос на исследования и разработки на
внутрироссийском рынке упал практически до
нуля, и вместе с тем исчезли традиционные
(советские) возможности финансирования.
Но открылись возможности международного
сотрудничества.
Это привело к кардинальному изменению
тематики и условий работы, а также
требований к научно-исследовательским и
опытно-конструкторским работам (НИОКР).

1990

Организована первая российская компания
компьютерной графики «Драйв»
В 1989 году, Александр Пекарь, Сергей
Тимофеев и Владимир Соколов организовали
студию компьютерной графики на ВПТО
«Видеофильм», которая спустя год стала
первой
самостоятельной
компанией
компьютерной графики, переместившись изпод крыла «Видеофильма» в Центральный
павильон ВДНХ.

1991

В феврале в Москве прошла первая международная конференция по
компьютерной графике и зрению ГрафиКон"91
Организована Академией наук СССР в лице Института прикладной
математики имени М.В. Келдыша АН СССР, Союзом Архитекторов
СССР и некоторыми другими организациями при содействии и
поддержке международной ассоциации ACM Siggraph (США).
Американские гости:
Эд Кэтмулл (президент компании «Pixar», сделавший с Джорджем
Лукасом Звездные войны)
Джон Ласситер («Pixar», автор фильма «Tin Toy»)
Джим Кларк (создатель компании «Silicon Graphics», законодатель
мод в области профессиональных графических станций)
Первым российским лауреатом на международном конкурсе PRIX
ARS ELECTRONICA в номинации Computer Animation стал коллектив
из Новосибирска.

1993

Проведен первый фестиваль компьютерной графики и анимации
АНИГРАФ"93
В 1992 году Владимиром Лошкарёвым, руководителем фирмы «Joy
Company», занимающейся продвижением на российский рынок
пакетов графических программ и оборудования, была организована
первая научно-практическая конференция по компьютерной графике.
Тогда и пришла идея фестиваля, сочетающего в себе и техническую
сторону, и коммерцию, и чистое творчество.
Фестиваля АНИГРАФ был организован при участии ВГИКа,
сопредседателем оргкомитета стал Сергей Лазарук (проректор по
научной и творческой работе ВГИКа).
На выставке были представлены все крупнейшие производители
графических станций. На творческом конкурсе было представлено
более 50 работ.
К сожалению, до десятилетнего юбилея фестиваль не дожил, и был
закрыт как коммерчески несостоятельный.

1994

Первая компьютерная графика в
отечественном кино
В фильме «Утомленные солнцем» эпизод с
шаровой молнией был подготовлен
компанией «Render Club».

1996

Первые попытки собрать и систематизировать
исторические факты
Timour Paltashev. Russia: Computer Graphics -Between the Past and the Future. Computer Graphics,
vol.30, No. 2, May 1996. Special issue: Computer
Graphics Around the World.
Yuri Bayakovsky. Russia: Computer Graphics Education
Takes Off in the 1990"s. Computer Graphics, Vol. 30,
No. 3, August 1996. Special issue:Computer Graphics
Education -- Worldwide Effort

2000-2001 гг.

2000 г. - Спецвыпуск журнала
Computer&Graphics Vol.24 «Computer Graphics
in Russia».
2001 г. - Появление виртуальной реальности
в России.
В Протвино прошла первая конференция из
серии VEonPC с демонстрацией созданной
группой Станислава Клименко в кооперации с
Мартином Гебелем (ИМК, С.Августин) первой в
России установки виртуальной реальности.

2003

Первая
конференция
разработчиков
КРИ-2003
компьютерных
игр
21 и 22 марта 2003 года в Московском Государственном Университете
состоялась первая международная Конференция Разработчиков
компьютерных Игр (КРИ) в России, организованная DEV.DTF.RU ведущим специализированным ресурсом в Рунете для игровых
разработчиков и издателей.
КРИ 2003 впервые в истории российской игровой индустрии собрала
для обмена опытом и обсуждения самых различных проблем
практически всех профессионалов отрасли.
В КРИ 2003 приняло участие около 40 компаний из России, а также
ближнего и дальнего зарубежья, действующих как в сфере
разработки, так и издания игрового ПО, а общее число посетителей
конференции, по различным оценкам, составило от 1000 до 1500
человек.

2006

Первая практическая конференция по
компьютерной графике и анимации CG Event-2006
Вдохновленные конференцией SIGGRAPH, автором
книги «Понимая Maya» Сергей Цыпцын и
создателем сайта cgtalk.ru Александр Костин была
организована первая практическая конференция по
компьютерной графике CG Event, ставшая идейной
наследницей фестиваля АНИГРАФ.
В первой же CG Event участвовало более 500
человек, и в последующем количество участников
только росло.

История развития компьютерной графики началось уже в 20 веке и продолжается сегодня. Не секрет то, что именно графика способствовала быстрому росту быстродействию компьютеров.

1940-1970гг. – время больших компьютеров (эра до персональных компьютеров). Графикой занимались только при выводе на принтер. В этот период заложены математические основы.

Особенности: пользователь не имел доступа к монитору, графика развивалась на математическом уровне и выводилась в виде текста, напоминающего на большом расстоянии изображение. Графопостроители появились в конце 60-х годов и практически были не известны.

1971-1985гг. – появились персональные компьютеры, т.е. появился доступ пользователя к дисплеям. Роль графики резко возросла, но наблюдалось очень низкое быстродействие компьютера. Программы писались на ассемблере. Появилось цветное изображение (256).

Особенности: этот период характеризовался зарождением реальной графики.

1986-1990гг. – появление технологии Multimedia (Мультимедиа). К графике добавились обработка звука и видеоизображения, общение пользователя с компьютером расширилось.

Особенности: появление диалога пользователя с персональным компьютером; появление анимации и возможности выводить цветное изображение.

1991-2008гг. – появление графики нашего дня Virtual Reality. Появились датчики перемещения, благодаря которым компьютер меняет изображения при помощи сигналов посылаемых на него. Появление стереоочков (монитор на каждый глаз), благодаря высокому быстродействию которых, производится имитация реального мира. Замедление развития этой технологии из-за опасения медиков, т.к. благодаря Virtual Reality можно очень сильно нарушить психику человека, благодаря мощному воздействию цвета на неё.

Следствие использования графики

Совершенно изменилась архитектура программ. Если раньше отец программирования Вирт говорил, что любая программа это алгоритм + структура данных, то с появлением компьютерной графики на персональном компьютере программа – это алгоритм + структура данных + интерфейс пользователя (графический).

Программирование называют теперь визуальным программированием, т.е. компилятор дает большое количество диалоговых окон, где вводятся координаты и виден прообраз результата, и можно менять прообраз программы.

В 90-х годах появился стандарт изображения схем алгоритмов UML, его используют все учебники. Он учитывает объектно-ориентированные программы и способен изображать многозадачность. Имеется возможность схемы алгоритма рисовать самому из готовых стандартных форм. Т.к. все программы используют графику (меню, товарные знаки, всякие вспомогательные изображения) их можно делать в современных компиляторах, не выходя из компилятора. UML рассматривается как международный стандарт. В нем 12 групп символов (каждая из групп с определением определенной специфики) и способов взаимосвязи между ними.

Переход к графическому интерфейсу был вынужден тем фактом, что человек воспринимает 80% данных через картинку, и лишь 20% - через ум, чувства и т.д.

Компьютерная графика насчитывает в своем развитии не более десятка лет, а ее коммерческим приложениям - и того меньше. Андриесван Дам считается одним из отцов компьютерной графики, а его книги - фундаментальными учебниками по всему спектру технологий, положенных в основу машинной графики. Также в этой области известен Айвэн Сазерленд, чья докторская диссертация явилась теоретической основой машинной графики.

До недавнего времени экспериментирование по использованию возможностей интерактивной машинной графики было привилегией лишь небольшому количеству специалистов, в основном ученые и инженеры, занимающиеся вопросами автоматизации проектирования, анализа данных и математического моделирования. Теперь же исследование реальных и воображаемых миров через «призму» компьютеров стало доступно гораздо более широкому кругу людей.

Такое изменение ситуации обусловлено несколькими причинами. Прежде всего, в результате резкого улучшения соотношения стоимость / производительность для некоторых компонент аппаратуры компьютеров. Кроме того, стандартное программное обеспечение высокого уровня для графики стало широкодоступным, что упрощает написание новых прикладных программ, переносимых с компьютеров одного типа на другие.

Следующая причина обусловлена влиянием, которое дисплеи оказывают на качество интерфейса - средства общения между человеком и машиной, - обеспечивая максимальные удобства для пользователя. Новые, удобные для пользователя системы построены в основном на подходе WYSIWYG (аббревиатура от английского выражения «Whatyouseeiswhatyouget» - «Что видите, то и имеете»), в соответствии с которым изображение на экране должно быть как можно более похожим на то, которое в результате печатается.

Большинство традиционных приложений машинной графики являются двумерными. В последнее время отмечается возрастающий коммерческий интерес к трехмерным приложениям. Он вызван значительным прогрессом в решении двух взаимосвязанных проблем: моделирования трехмерных сцен и построения как можно более реалистичного изображения. Например, в имитаторах полета особое значение придается времени реакции на команды, вводимые пилотом и инструктором. Чтобы создавалась иллюзия плавного движения, имитатор должен порождать чрезвычайно реалистичную картину динамически изменяющегося «мира» с частотой как минимум 30 кадров в секунду. В противоположность этому изображения, применяемые в рекламе и индустрии развлечений, вычисляют автономно, нередко в течение часов, с целью достичь максимального реализма или произвести сильное впечатление.

Развитие компьютерной графики, особенно на ее начальных этапах, в первую очередь связано с развитием технических средств и в особенности дисплеев:

• - произвольное сканирование луча;
• - растровое сканирование луча;
• - запоминающие трубки;
• - плазменная панель;
• - жидкокристаллические индикаторы;
• - электролюминисцентные индикаторы;
• - дисплеи с эмиссией полем.

Произвольное сканирование луча. Дисплейная графика появилась, как попытка использовать электроннолучевые трубки (ЭЛТ) с произвольным сканированием луча для вывода изображения из ЭВМ. Как пишет Ньюменпо-видимому, первой машиной, где ЭЛТ использовалась в качестве устройства вывода была ЭВМ Whirlwind-I (Ураган-I), изготовленная в 1950г. в Массачусетском технологическом институте. С этого эксперимента начался этап развития векторных дисплеев (дисплеев с произвольным сканированием луча, каллиграфических дисплеев). На профессиональном жаргоне вектором называется отрезок прямой. Отсюда и происходит название «векторный дисплей».

При перемещении луча по экрану в точке, на которую попал луч, возбуждается свечение люминофора экрана. Это свечение достаточно быстро прекращается при перемещении луча в другую позицию (обычное время послесвечения - менее 0.1 с). Поэтому, для того чтобы изображение было постоянно видимым, приходится его перевыдавать (регенерировать изображение) 50 или 25 раз в секунду. Необходимость перевыдачи изображения требует сохранения его описания в специально выделенной памяти, называемой памятью регенерации. Само описание изображения называется дисплейным файлом. Понятно, что такой дисплей требует достаточно быстрого процессора для обработки дисплейного файла и управления перемещением луча по экрану.

Обычно серийные векторные дисплеи успевали 50 раз в секунду строить только около 3000-4000 отрезков. При большем числе отрезков изображение начинает мерцать, так как отрезки, построенные в начале очередного цикла, полностью погасают к тому моменту, когда будут строиться последние.

Другим недостатком векторных дисплеев является малое число градаций по яркости (обычно 2-4). Были разработаны, но не нашли широкого применения двух-трехцветные ЭЛТ, также обеспечивавшие несколько градаций яркости.

В векторных дисплеях легко стереть любой элемент изображения - достаточно при очередном цикле построения удалить стираемый элемент из дисплейного файла.

Текстовый диалог поддерживается с помощью алфавитно-цифровой клавиатуры. Косвенный графический диалог, как и во всех остальных дисплеях, осуществляется перемещением перекрестия (курсора) по экрану с помощью тех или иных средств управления перекрестием - координатных колес, управляющего рычага (джойстика), трекбола (шаровой рукоятки), планшета и т.д. Отличительной чертой векторных дисплеев является возможность непосредственного графического диалога, заключающаяся в простом указании с помощью светового пера объектов на экране (линий, символов и т.д.). Для этого достаточно с помощью фотодиода определить момент прорисовки и, следовательно, начала свечения люминофора любой части требуемого элемента.

Первые серийные векторные дисплеи за рубежом появились в конце 60-х годов.

Растровое сканирование луча.

Прогресс в технологии микроэлектроники привел к тому, с середины 70-х годов подавляющее распространение получили дисплеи с растровым сканированием луча.

Запоминающие трубки.

В конце 60-х годов появилась запоминающая ЭЛТ, которая способна достаточно длительное время (до часа) прямо на экране хранить построенное изображение. Следовательно, не обязательна память регенерации и не нужен быстрый процессор для выполнения регенерации изображения. Стирание на таком дисплее возможно только для всей картинки в целом. Сложность изображения практически не ограничена. Разрешение, достигнутое на дисплеях на запоминающей трубке, такое же, как и на векторных или выше - до 4096 точек.

Текстовый диалог поддерживается с помощью алфавитно-цифровой клавиатуры, косвенный графический диалог осуществляется перемещением перекрестия по экрану обычно с помощью координатных колес.

Появление таких дисплеев с одной стороны способствовало широкому распространению компьютерной графики, с другой стороны представляло собой определенный регресс, так как распространялась сравнительно низкокачественная и низкоскоростная, не слишком интерактивная графика.

Плазменная панель.

В 1966г. была изобретена плазменная панель, которую упрощенно можно представить как матрицу из маленьких разноцветных неоновых лампочек, каждая из которых включается независимо и может светиться с регулируемой яркостью. Ясно, что системы отклонения не нужно, не обязательна также и память регенерации, так как по напряжению на лампочке можно всегда определить горит она ли нет, т.е. есть или нет изображение в данной точке. В определенном смысле эти дисплеи объединяют в себе многие полезные свойства векторных и растровых устройств. К недостаткам следует отнести большую стоимость, недостаточно высокое разрешение и большое напряжение питания. В целом эти дисплеи не нашли широкого распространения.

Жидкокристаллические индикаторы. Дисплеи на жидкокристаллических индикаторах работают аналогично индикаторам в электронных часах, но, конечно, изображение состоит не из нескольких сегментов, а из большого числа отдельно управляемых точек. Эти дисплеи имеют наименьшие габариты и энергопотребление, поэтому широко используются в портативных компьютерах несмотря на меньшее разрешение, меньшую контрастность и заметно большую цену, чем для растровых дисплеев на ЭЛТ.

Электролюминисцентные индикаторы. Наиболее высокие яркость, контрастность, рабочий температурный диапазон и прочность имеют дисплеи на электролюминисцентных индикаторах. Благодаря достижениям в технологии они стали доступны для применения не только в дорогих высококлассных системах, но и в общепромышленных системах. Работа таких дисплеев основана на свечении люминофора под воздействием относительно высокого переменного напряжения, прикладываемого к взаимноперпендикулярным наборам электродов, между которыми находится люминофор.

Дисплеи с эмиссией полем. Дисплеи на электронно-лучевых трубках, несмотря на их относительную дешевизну и широкое распространение, механически непрочны, требуют высокого напряжения питания, потребляют большую мощность, имеют большие габариты и ограниченный срок службы, связанный с потерей эмиссии катодами. Одним из методов устранения указанных недостатков, является создание плоских дисплеев с эмиссией полем с холодных катодов в виде сильно заостренных микроигл.

Таким образом, стартовав в 1950г., компьютерная графика к настоящему времени прошла путь от экзотических экспериментов до одного из важнейших, всепроникающих инструментов современной цивилизации, начиная от научных исследований, автоматизации проектирования и изготовления, бизнеса, медицины, экологии, средств массовой информации, досуга и кончая бытовым оборудованием.

Изучив материал данной главы, студент должен:

знать

• историю развития программных средств для работы с графикой;
• области применения компьютерной графики;
• классификацию компьютерной графики, типы представления графической информации;
• основные виды описания графики, их достоинства и недостатки;

уметь

• разбираться в графических форматах;
• ориентироваться в среде различной цифровой графики и оптимально ее использовать;
• применять полученные знания для освоения графических программ;

владеть

• необходимой терминологией;
• сведениями, используемыми в практической работе с цифровыми изображениями.

Понятие, история развития, области применения и виды компьютерной графики

Понятие и история компьютерной графики

Компьютерная графика (машинная, цифровая графика) – область деятельности, в которой компьютеры используются в качестве инструмента для создания изображений, а также для обработки визуальной информации, полученной из реального мира. Также компьютерной графикой называют и результат этой деятельности.

История компьютерной графики. Первые вычислительные машины не имели специальных средств для работы с графикой, однако уже использовались для получения и обработки изображений. Программируя память первых электронных машин, построенную на основе матрицы ламп, можно было получать узоры.

В 1961 г. программист С. Рассел возглавил проект по созданию первой компьютерной игры с графикой. Игра Spacewar была создана на машине PDP-1.

В 1963 г. американский ученый Айвен Сазерленд создал программноаппаратный комплекс Sketchpad , который позволял рисовать точки, линии и окружности на трубке цифровым пером (световое перо (англ. light реп ) – один из инструментов ввода графических данных в компьютер, разновидность манипуляторов). Поддерживались базовые действия с примитивами – перемещение, копирование и др. По сути, это был первый векторный редактор , реализованный на компьютере. Также программу можно назвать первым графическим интерфейсом, причем она являлась таковой еще до появления самого термина.

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 чертежную машину. В 1964 г. General Motors представила систему автоматизированного проектирования DAC-1, разработанную совместно с IBM.

В 1964 г. группой под руководством II. II. Константинова была создана компьютерная математическая модель движения кошки. Машина БЭСМ-4, выполняя написанную программу решения дифференциальных уравнений, рисовала мультфильм "Кошечка", который для своего времени являлся прорывом. Для визуализации использовался алфавитно-цифровой принтер.

В 1968 г. существенного прогресса компьютерная графика достигла с появлением возможности запоминать изображения и выводить их на компьютерном дисплее, электронно-лучевой трубке.

Области применения цифровой графики

Научная графика – первые компьютеры использовались лишь для решения научных и производственных задач. Чтобы лучше представить полученные результаты, производилась их графическая обработка, строились графики, диаграммы, чертежи рассчитанных конструкций. Первые графики на машине получали в режиме символьной печати. Затем появились специальные устройства – графопостроители (плоттеры) для вычерчивания чертежей и графиков чернильным пером на бумаге. Современная научная компьютерная графика дает возможность проводить вычислительные эксперименты с наглядным представлением их результатов.

Деловая графика – область компьютерной графики, предназначенная для наглядного представления различных показателей работы учреждений. Плановые показатели, отчетная документация, статистические сводки – для них с помощью компьютерной графики создаются иллюстративные материалы. Программные средства деловой графики включаются в состав электронных таблиц.

Конструкторская графика используется в работе инженеров-конструкторов, архитекторов, изобретателей новой техники. Этот вид компьютерной графики является обязательным элементом САПР (систем автоматизации проектирования). Средствами конструкторской графики можно получать как плоские изображения (проекции, сечения), так и пространственные трехмерные изображения.

Иллюстративная графика – рисование, черчение, моделирование на экране компьютера. Пакеты иллюстративной графики относятся к прикладному программному обеспечению общего назначения. Программные средства иллюстративной графики называются графическими редакторами.

Художественная и рекламная графика популярна во многом благодаря развитию фотографии, рекламы и телевидения. С помощью компьютера создаются печатные материалы, различного рода рекламная продукция, мультфильмы, компьютерные игры, интерактивные и видеоуроки, слайд- и видеопрезентации. Кроме графических редакторов, для этих целей используются графические пакеты, требующие больших ресурсов компьютера по быстродействию и памяти. Отличительной особенностью этих графических пакетов является возможность создания реалистических изображений и движущихся картинок. Получение рисунков трехмерных объектов, их повороты, приближения, удаления, деформации связаны с большим объемом вычислений. Передача освещенности объекта в зависимости от положения источника света, расположения теней, фактуры поверхности требует расчетов, учитывающих законы оптики.

Компьютерная анимация – создание движущихся изображений. Художник создает на экране рисунки начального и конечного положения движущихся объектов, все промежуточные состояния рассчитывает и изображает компьютер, выполняя расчеты, опирающиеся на математическое описание данного вида движения. Полученные рисунки, выводимые последовательно на экран с определенной частотой, создают иллюзию движения.

Мультимедиа – объединение высококачественного изображения на экране компьютера со звуковым сопровождением. Наибольшее распространение системы мультимедиа получили в области обучения, рекламы, развлечений.

Научная работа. Компьютерная графика является также одной из областей научной деятельности. В области компьютерной графики защищаются диссертации, а также проводятся различные конференции. На факультете вычислительной математики и кибернетики (ВМиК) МГУ им. М. В. Ломоносова действует лаборатория компьютерной графики.

Виды компьютерной графики

По способам задания изображений компьютерную графику можно разделить на категории. Три основных категории – растровая, векторная и трехмерная графика.

Двумерная графика (2D – от англ. two dimensions – два измерения) – это изображение на плоскости, имеющее длину и ширину. Двумерная компьютерная графика классифицируется по типу представления графической информации и следующими из него алгоритмами обработки изображений. Обычно компьютерную графику разделяют на векторную и растровую, хотя обособляют еще и фрактальный тип представления изображений.

В растровой графике всякое изображение рассматривается как совокупность точек разного цвета. В векторной графике изображение является совокупностью простых элементов: прямых линий, дуг, окружностей, эллипсов, прямоугольников, закрасок и др., которые называются графическими примитивами.

• Примитив (графический примитив) – простейшая геометрическая фигура.
• Векторный редактор – программа для создания и редактирования векторных изображений.
• Фрактал (от лат. fractus – состоящий из фрагментов) – структура, формирующаяся из нерегулярных отдельных элементов, которые подобны целому. Описать такой объект можно всего лишь несколькими математическими уравнениями.