Этапы становления компьютерной графики Текст научной статьи по специальности «СМИ (медиа) и массовые коммуникации»

УДК 004.92

ЭТАПЫ СТАНОВЛЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ © 2008 г. М.В. Кирсанов

Южно-Российский государственный South Russian State Technical University (NPI),

технический университет (НПИ), 346428, Novocherkassk, Prosveschenie St., 132,

346428 г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132, [email protected]

ngtu@novoch. ru

Рассмотрен процесс развития компьютерной графики с самого начала появления компьютерной техники и до наших дней. Проанализирована связь этапа становления графики в зависимости от развития мощностей компьютеров. Представлены графические материалы, показывающие историю развития компьютеров и программного обеспечения, позволяющие получать графические материалы.

Ключевые слова: компьютер, графика, становление, проектирование, монитор, мышь.

In the article development of a computer drawing from the beginning of occurrence of computer engineering and is considered up to now.

Keywords: the computer, a drawing, formation, designing, the monitor, the mouse.

Зрение дано человеку для восприятия значительной части информации. С помощью зрительных органов человек познает окружающий его мир и с их помощью передает свои мысли и мировидение на различные источники - камень, полотно, бумагу и т.д. Так было до тех пор, пока для визуализации не стали использовать компьютеры. Быстрое развитие вычислительной техники и ее совершенствование в области порождения «виртуальных миров» привело к тому, что, даже увидев мир через экран, нельзя быть уверенным в том, что виденное существует в реальности. Компьютерная графика и анимация дошли до такой ступени, что позволяют теперь воспроизвести то, чего и вовсе в природе не существует, причем с поразительной точностью и достоверностью. В данной статье мы рассмотрим, как компьютеры научились «вводить в заблуждение» человека, создавая неотличимые от реальности образы...

Компьютерная графика зародилась еще когда компьютеры были ламповыми, не имели дисплея, они были

Рис. 1

очень громоздкими и очень тихоходными (рис. 1), но уже тогда программисты выражали свои художественные рвения на бумаге при помощи первых печатающих

устройств, отдаленно напоминающих матричный принтер. Их графика представляла собой цифробуквенные рисунки, являющиеся набором букв и цифр с разной плотностью черноты. Для создания таких «шедевров» программист должен был не только отлично владеть машинным языком, но и хорошей усидчивостью и определенными художественными талантами. Это была очень трудоемкая и кропотливая работа, не имеющая практического смысла. Уже тогда зарождалась мечта использовать компьютер для облегчения графических работ, но проблема была в отсутствии дисплея. В те времена компьютеры оснащались осциллографами, которые применялись не для вывода информации, а всего лишь для проверки электронных цепей вычислительной машины. Впервые в 1950 г. в Кембриджском университете (Англия) электронно-лучевая трубка осциллографа была использована для вывода графической информации на компьютере EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Computer) (рис. 2). Настоящий переворот в отображении графической информации на экране дисплея произошел в Америке в рамках военного проекта на базе компьютера «Вихрь». Данный компьютер использовался для фиксации информации о вторжении самолетов в воздушное пространство США. Первая демонстрация «Вихря» состоялась 20 апреля 1951 г. - радиолокатор посылал информацию о положении самолета компьютеру, и тот передавал на экран положение самолета-цели, которая отображалась в виде движущейся точки и буквы T (Target). Это был первый крупный проект, в котором электронно-лучевая трубка использовалась для отображения графической информации. Случившееся событие стало прорывом в этой сфере, но о компьютерной графике говорить еще было рано. Появление лучевых трубок немного облегчило восприятие

информации, передаваемой компьютером для человека. Но «компьютерная графика» по-прежнему представляла собой чередование букв или цифр.

Первая графическая система на основе компьютера появилась в 1959 г. Она была создана при сотрудничестве автомобильной фирмы General Motors и IBM. Графическая станция носила название Design Augmented by Computers, которое переводилось как дизайн, дополненный компьютером, а сокращенно DAC-1 (рис. 3). Данная система применялась для проектирования автомобилей, она позволяла задавать описание трехмерной модели кузова автомобиля, а потом вращать получившуюся модель и рассматривать результат с разных точек зрения. В конце 50-х гг. это казалось просто фантастикой. Из-за жесткой конкуренции в автомобилестроении первая публичная демонстрация DAC-1 состоялась лишь на Объединенной компьютерной конференции (Joint Computer Conference), проходившей в Детройте в 1964 г. Начало было положено, и уже в 1961 г. студент Массачусетского технологического института Иван Сазерлэнд внес свой вклад в компьютерную графику (Ivan Sutherland). Им была создана программа Sketchpad, которая могла при помощи «светового пера» (рис. 4) рисовать фигуры на экране монитора и полученные «шедевры» сохранять для их последующего использования.

Рис. 3

Рис. 4

Это устройство в форме шариковой ручки или карандаша, подсоединенного к компьютеру при помощи алгоритма, определяло координаты точки на поверхности экрана, к которой прикасался кончик «светового пера». Все компьютеры того времени фирмы IBM комплектовались «световым пером», это уже потом они стали использовать стандартное устройство, облегчающее работу на компьютере, которое носило название «манипулятор типа мышь» (рис. 5). Надо заметить, что прародитель современных манипуляторов сильно отличался от привычных для нас обтекаемых и эргономичных «настольных зверьков». Первая мышь была выполнена из дерева, выглядела достаточно угловато и вместо привычного шарика или оптического сенсора имела два перпендикулярно расположенных колесика. Ее изобретателем стал Дуглас Энгельбарт и другие сотрудники SRI. Именно он в 1968 г. представил это устройство на конференции по вычислительной технике в Сан-Франциско. Появление манипулятора не случайно, автор «мыши» работал над созданием графического пользовательского интерфейса, и именно это обусловило ее появление.

Рис. 5

Студент все того же Массачусетского технологического института Стив Рассел (Steve Russell) в 1961 г. создал первую компьютерную игру, использующую примитивные графические возможности PDP-1 (Programmed Data Processor) компьютера, представленного широкой публике компанией DEC в ноябре 1960 г.

Автор не рассчитывал на громкий успех своего проекта, а тем более на то, что инженеры DEC в течение длительного времени будут применять эту игру для тестирования каждого нового PDP-1 (рис. 6) перед отправкой его покупателю.

Рис. 6

В 1963 г. компьютер был использован для моделирования полета спутника в магнитном поле Земли. Проводился расчет изменения траектории движения спутника за счет установленных на нем гироскопов. Для этого Заяк (E.E. Zajac), ученый из Bell Telephone Laboratory (BTL), применяя графическую систему моделирования, создал программу, которая использовала сложную математическую модель. Таким образом, компьютер переставал быть просто вычислительной машинкой, в качестве которой его создавали, и начинал превращаться в удобного помощника, который выводил свои результаты не только в виде цифр, но и в виде удобной для восприятия графической модели. В середине 60-х гг. компания IBM выпустила изделие «IBM 2250» (рис. 7), которое может считаться первым графическим терминалом для коммерческого потребления. Это изделие было откликом на возросший интерес в науке к внедрению компьютерной графики для визуализации проводимых на ЭВМ расчетов.

Рис. 7

Ральф Баер (Ralph Baer), главный инженер компании «Sanders Associates», в 1966 г. разработал устройство, которое стало прототипом современных телевизионных игровых приставок - это было важным шагом в компьютерной графике, так как созданное устройство позволяло перемещать графические объекты по экрану бытового телевизора. Публичная демонстрация первой игровой консоли состоялась 1 октября 1968 г. Велись работы по созданию виртуальной реальности, которая тесно связана с компьютерной гра-

фикой. Был даже изобретен родоначальник компьютерного шлема, его автор Иван Сазерлэнд, знакомый нам по программе Sketchpad. Он изобрел устройство «Дамоклов меч» - это были два небольших монитора, которые проецировали изображение на два глаза. Им же было разработано и программное обеспечение, позволяющее делить графическую информацию на два дисплея для получения стереоскопического изображения.

Человечество уже не могло обойтись без компьютерной графики, и в 1968 г. в университете штата Юта (США) была создана научная программа, в которой планировалось изучить вопросы общения и взаимодействия компьютера с человеком и применение компьютерной графики. Ее возглавил Дэйв Эванс (Dave Evans), c 1953 по 1962 г. возглавлявший техническое подразделение компьютерного отдела компании Bendix Corporation. Созданная под руководством Эванса команда ученых начала углубленно изучать вопросы создания компьютерной графики, объемного моделирования (3D), компьютерной анимации. Под руководством Дэйва Эванса начинал свою деятельность студент Эд Катмул (Ed Catmull), который сейчас возглавляет самую известную студию компьютерной анимации Pixar. Ученый Джон Варнок, один из первооткрывателей компьютерной графики, основал компанию Adobe Systems, которая заняла первое место в издательском деле и сейчас поставляет на рынок графические пакеты и приложения для обработки изображений. В их компанию входил Джим Кларк (Jim Clark) - он стал основателем компании Silicon Graphics, Inc., графические станции. Эта станция используется многими студиями, которые профессионально занимаются компьютерной анимацией для кино и рекламы.

Компьютеры и программисты не стояли на месте и продолжали эволюционировать. Просто нарисованная линия на мониторе уже не представлялась чем-то необычным и диковинным. С графикой, необходимой для пользователей, машины уже не справлялись, надо было что-нибудь придумать, и Генри Горанд (Henri Gouraud) в 1971 г. предложил новый метод создания графических 3D объектов, который с тех пор носит его имя. До этого моделирование сложных поверхностей осуществлялось при помощи многоугольников (полигонов), каждый из которых был окрашен в свой цвет. По этой причине острые углы и грани сопряжения многоугольников придавали моделируемому объекту характерный угловатый «компьютерный» вид. Чтобы получить более качественное и точное изображение, требовалось разбиение поверхности на большее количество элементов, что, конечно же, значительно увеличивало объем вычислений, требуемых для расчета внешнего вида 3D объекта. Горанд предложил при моделировании сложноизогнутых поверхностей изменять цвет в пределах моделирующих полигонов, что при незначительном увеличении объема вычислений по сравнению с использованием «плоских» полигонов дало ощутимое возрастание качества полученного изображения. Правда, как и всё на свете,

метод Горанда не свободен от недостатков - сетка из многоугольников становится заметной вблизи острых граней и углов воспроизводимых объектов. Этот метод применяется и при современном моделировании 3D объектов.

Со временем развивалась и техника.

В конце 70-х гг. в компьютерной графике произошли значительные изменения. Появилась возможность создания растровых дисплеев, имеющих множество преимуществ: вывод больших массивов данных, устойчивое, немерцающее изображение, работа с цветом и недорогие мониторы. Однако впервые стало возможным получение цветовой гаммы. Растровая технология стала явно доминирующей. Это обусловило создание персонального компьютера.

1976 г. - на очередной ежегодной конференции SIGGRAPH была проведена первая выставка продуктов, так или иначе связанных с компьютерной графикой. Участие в этой исторической демонстрации достижений в области «художественного использования компьютеров» приняло всего 10 компаний.

В 1977 г. Commodore выпустила свой РЕТ (персональный электронный делопроизводитель) (рис. 8), а компания Apple создала Apple-II (рис. 9). Появление этих устройств вызывало смешанные чувства: графика была ужасной, а процессоры медленными. Персональные компьютеры развивались как важная часть машинной графики, особенно с появлением в 1984 г. модели Apple Macintosh (рис. 10), обладающей графическим интерфейсом пользователя. Новые возможности персональных компьютеров побуждали к разработке относительно недорогих программ как в области CAD/CAM, так и в более общих областях бизнеса и искусства. В конце 80-х гг. программное обеспечение применялось во всех сферах: от комплексов управления до настольных издательских систем.

Рис. 9

Рис. 10

В 1986 г. свою версию персонального компьютера выпустила фирма IBM, это была модель IBM 5150 (рис. 11). Началась борьба за первенство на рынке продаж персональных компьютеров. Пользователей ПК фирма IBM заинтересовала своей архитектурой, которая позволяла изменять конфигурацию своего компьютера с минимальными затратами и тем самым свою систему на усмотрение пользователя для графических или вычислительных задач. Из -за этого, на первый взгляд, небольшого плюса архитектура IBM стала доминирующей на рынке продаж [1].

Рис. 11

Компьютер перестал быть огромным, и это позволило ему стать атрибутом не только особых конструкторских бюро, но интерьером в квартирах рядовых горожан. Как не парадоксально звучит, но именно это послужило серьезным толчком в развитии чипсетов, быстроты процессоров, улучшении и ускорении графики видеокарт, так как персональные компьютеры стали использоваться, в том числе и для игр. Производители игр старались предать своему продукту более реалистичный вид, а производители «железа» улучшить свои аппаратные возможности. Для получения хорошего графического изображения не хватало простой карты вывода изображения на экран -стали необходимы 3D ускорители или акселераторы. Так, в 1984 г. была основана компания 3dfx, президентом являлся Грегори Баллард. В 1995 г. компания 3dfx выпускает видеокарту VooDoo Graphics (рис.12), которая делает переворот на рынке устройств вывода изображения. В след за ней появляются такие фирмы как ATI - 1985 г., nVidia - 1993 г. Производители программных продуктов так же не заставляют себя ждать, и появляются такие программы, как MS Paint, Adobe Photoshop, Corel Draw, Macromedia FreeHand, Macromedia Flash, 3D Studio Max, Maya, Softimage 3D, Adobe Illustrator, ZBrush, Micrografx Designer, CoffeeCup GifAnimator, Ulead Photoimpact, ACD See, The GIMP, Fractal Design Expression, Canvas.

Рис. 12

Компьютер перестал быть огромным, и это позволило ему стать атрибутом не только особых конструкторских бюро, но интерьером в квартирах рядовых горожан. Как не парадоксально звучит, но именно это послужило серьезным толчком в развитии чипсетов, быстроты процессоров, улучшении и ускорении графики видеокарт, так как персональные компьютеры стали использоваться, в том числе и для игр. Производители игр старались предать своему продукту более реалистичный вид, а производители «железа» улучшить свои аппаратные возможности. Для получения хорошего графического изображения не хватало простой карты вывода изображения на экран -стали необходимы 3D ускорители или акселераторы. Так, в 1984 г. была основана компания 3dfx, президентом являлся Грегори Баллард. В 1995 г. компания 3dfx выпускает видеокарту VooDoo Graphics (рис.12), которая делает переворот на рынке устройств вывода изображения. В след за ней появляются такие фирмы как ATI - 1985 г., nVidia - 1993 г. Производители программных продуктов так же не заставляют себя ждать, и появляются такие программы, как MS Paint, Adobe Photoshop, Corel Draw, Macromedia FreeHand, Macromedia Flash, 3D Studio Max, Maya, Softimage 3D, Adobe Illustrator, ZBrush, Micrografx Designer, Coffee-Cup GifAnimator, Ulead Photoimpact, ACD See, The GIMP, Fractal Design Expression, Canvas.

Сегодня компьютер перестал быть просто печатной машинкой и кульманом - он превратился в целый мультимедийный развлекательный центр с прекрасной машинной графикой, которая ничем не отличается от реальности, пример этому рис. 13, смоделированный в системе 3D Studio Max [2, 3].

Рис. 13

Машинная графика имеет сегодня промышленную базу, оцениваемую в 36 млрд дол., которая обеспечивает работой около 300 тыс. специалистов. Она продолжает лидировать в вопросах обеспечения нашего взаимодействия с компьютерами и организации доступа к информации.

Литература

1. КорриганДж. Компьютерная графика. М., 1995.

2. Иванов В.П., Батраков А.С. Трехмерная компьютерная графика / Под ред. К.М. Полищука. М., 1995.

3. Шишкин Е.В., Боресков А.В. Компьютерная графика. Динамика, реалистичные изображения. М., 2000.

Поступила в редакцию 14 февраля 2008 г.