Historie počítačové grafiky

V tomto článku nebo části chybí následující důležité informace:
Kromě skutečných počítačových grafických algoritmů a technik vykreslování stále ještě hodně chybí, Phong shading a Bresenhamův algoritmus jsou jen začátek a vývoj, který 3D grafické karty v posledních letech učinily, je v celém článku téměř nulový.
Pomozte Wikipedii tím, že ji prozkoumáte a vložíte .

Historie počítačové grafiky , počítačově podporovaného generování obrazu, byl obecně více ovlivňována novém vývoji v oblasti hardware než v softwaru .

V padesátých letech byly některé z prvních počítačů vybaveny obrazovkami. První grafické počítačové systémy se objevily v šedesátých letech, ale byly extrémně drahé a až do konce tohoto desetiletí nebyly nahrazeny dostupnými zařízeními. Kompletní systémy připravené k použití, které chránily uživatele před podrobnostmi softwaru, se objevily v 70. letech. Byly vyvinuty významné techniky vykreslování , z nichž některé se dodnes používají . V 80. letech se výkon počítače zvýšil do takové míry, že uživatelé PC mohli také sami vytvářet počítačovou grafiku . Kromě technických aplikací se staly stále důležitějšími také multimediální a jiné netechnické aplikace.

50. léta: začátky

Vichřice a SAGE

Konzole
systému sledování vzduchu SAGE, která byla ovládána světelným perem ve tvaru pistole

Dřívější počítače používaly jako výstupní zařízení dálnopisné a řetězové tiskárny , s nimiž bylo možné kreslit obrázky a diagramy jen velmi hrubě. Počítač Whirlwind vyvinutý na MIT je často považován za počátek počítačové grafiky. Od roku 1951 měl obrazovku katodové trubice , která byla určena jak pro uživatele, tak pro kamery, které pořídily snímek pro pozdější tisk. Byl také vybaven světelným perem podobným zařízením vyvinutým Bobem Everettem , pomocí kterého bylo možné zadávat údaje přímo na obrazovku.

Whirlwind sloužil jako základ pro prototyp leteckého sledovacího systému SAGE , který byl navržen pro americké letectvo a který interaktivně převáděl radarové informace na počítačové displeje. Od roku 1955 byla společnost SAGE provozována pomocí světelného pera: pokud jste ji namířili na letadlo, systém poskytl podrobnější informace.

První CAD systémy

V roce 1951 začala výzkumná laboratoř společnosti General Motors zkoumat úlohu, kterou mohou hrát budoucí systémy CAD . IBM představila systém IBM 740/780, který dokázal zobrazit body nebo čáry na obrazovce CRT ve spojení s sálovým počítačem IBM 704 .

Výzkum společnosti General Motors vyústil v roce 1959 do prvního CAD systému, DAC-1 , který vyvinuli Don Hart a Ed Jacks ve spolupráci s IBM a veřejnosti byl představen až v roce 1964. Tento průkopnický systém demonstroval výhody grafické interakce pro proces návrhu.

Umění a zábava

V roce 1950 kreslil umělec Ben Laposky abstraktní postavy pomocí osciloskopů ovládaných analogovými počítači. V roce 1958 vyvinul William Higinbotham jednu z prvních videoher , Tennis for Two .

1960: První teoretické a komerční průlomy

Vydání různých generátorů postav z počátku 60. let

V polovině 60. let již existovaly výzkumné projekty a komerční produkty zabývající se počítačovou grafikou. Jelikož v té době vstup a výstup probíhaly hlavně prostřednictvím děrných štítků , byla velká naděje, že se interaktivní uživatelská rozhraní stanou obecně přijímanými. Zpočátku si však jen několik společností mohlo dovolit interaktivní počítačové grafické systémy; až na konci desetiletí se objevily dostupnější produkty. Poté, co byla k dispozici přijatelná výstupní zařízení, se problémy se softwarem vrátily, protože počítačová grafika vyžadovala složitější datové struktury než pole a propojené seznamy .

První sdružení vědců a uživatelů, kteří se zabývali počítačovou grafikou, byla založena v 60. letech: Společnost pro informační displej následovala v roce 1963 Výbor pro zvláštní zájmy ACM pro počítače , který se v roce 1969 stal tematickou skupinou SIGGRAPH . Velká část amerického výzkumu v oblasti počítačové grafiky i počítačové vědy obecně byla financována z ARPA .

Grafický hardware

Tektronix 4014, časný grafický terminál založený na DVST

Hlavním hardwarovým problémem na začátku 60. let byla otázka, jak lze na obrazovce zobrazovat znaky a čáry. Generátory znaků nebyly standardizovány a stojí mezi 2 000 a 10 000 USD.

První grafické počítačové terminály založené na paměťových trubicích přišly na trh v roce 1968: Computer Displays nabídl Advanced Remote Display Station a Computek nabídl řadu 400. Obě zařízení byla založena na úložné trubici Tektronix 611 a stála 12 000–15 000 $. Společnost Tektronix poté uvedla na trh model T4002A, který stál přibližně 9 000 USD, následovaný 4 000 4010 USD za jeho vlastní produkty. Tato zobrazovací zařízení, založená na takzvaných Direct-View Storage Tubes (DVST), dokázala zobrazovat grafiku bez nutnosti pravidelného překreslování. U nich nebylo možné trojrozměrné znázornění. Přes svou primitivní grafiku umožnily desítkám tisíc uživatelů přístup k počítačové grafice, protože před příchodem DVST stál samotný hardware grafického terminálu 50 000 až 200 000 USD.

Výsledkem je, že do tohoto poměrně levného cenového segmentu vstoupili další výrobci s jinými technologiemi, jako jsou vektorové a plazmové obrazovky . První experimentální vyrovnávací paměť snímků pro rastrovou grafiku byla vyvinuta v roce 1969 Bell Laboratories . Použil 3 bity na pixel , což odpovídá osmi odstínům šedé.

Interaktivita a uživatelská rozhraní

Xerox Alto, první počítač s grafickým uživatelským rozhraním

Kreslící systém skicáře Ivana Sutherlanda , představený ve své disertační práci v roce 1963, byl milníkem v historii interaktivní počítačové grafiky. Tento program umožnil uložit jednotlivé výkresy jako šablony a hierarchicky je sestavit, aby bylo možné sestavit výkres z již existujících „modulů“. Sutherland také představil nové způsoby interakce , z nichž mnohé se dodnes používají, například kontextové nabídky . Pomocí klávesnice a světelného pera lze zadávat příkazy, vybírat objekty a vytvářet kresby. Sutherlandova disertační práce se zaměřila na vytvoření a optimalizaci grafické datové struktury.

O několik let později Timothy Johnson přidal do systému 3D funkce a nazval jej Sketchpad 3. Obrazovka byla rozdělena na tři boční pohledy a perspektivní pohled, které se používají dodnes.

Alan Kay vyvinul první grafické uživatelské rozhraní pro Xerox Alto v roce 1969 , což mělo také značný vliv na pozdější Apple Macintosh .

CAD, modelování a virtuální realita

Z64 Graphomat, raný plotter

William Fetter, zaměstnanec Boeingu , použil termín počítačová grafika v roce 1960 pro své počítačové kresby kokpitů letadel s pilotem. Spolu s Walterem Bernhardtem a dalšími vložil do databáze bodové souřadnice modelu letadla a vytiskl automaticky vypočítanou perspektivní reprezentaci na plotru .

V roce 1963 vytvořil John Lansdown perspektivní kresby na počítači Elliott 803 a psal své vlastní programy CAD. Edgar Horwood vyvinul mapovací systém pro americké ministerstvo stavebnictví . Na MIT začal Steven Anson Coons vyvíjet techniky pro parametrické modelování povrchů.

Systém rané virtuální reality využívající první displej umístěný na hlavě vyvinul Ivan Sutherland a jeho studenti. Zobrazovalo víceméně jednoduché drátové modely .

V roce 1968 založili Sutherland a David Evans společnost Evans & Sutherland , první společnost specializující se na počítačovou grafiku. V roce 1969 představila LDS-1 (Line Drawing System-1), první komerční grafický systém CAD, který zobrazoval drátové modely.

Procesy screeningu a vykreslování

U digitálních plotterů, ve kterých se pero pohybovalo po mřížce, byly vyvinuty algoritmy rastrování v šedesátých letech , kolem roku 1962 Bresenhamův algoritmus pro rastrování čar .

K vyřešení problému s viditelností vyvinul John Warnock v roce 1969 algoritmus Warnock . Přibližně ve stejné době byl objeven algoritmus sledování paprsku .

Umění a zábava

Obrazovka PDP-1 běžící Spacewar

V letech 1961 až 1962 vyvinuli studenti MIT první populární počítačovou hru Spacewar na PDP-1 . V roce 1963 vyvinul Ken Knowlton programy BEFLIX a EXPOR, které byly použity k výrobě časných počítačově generovaných filmů. Frieder Nake vytvořil čtyřbarevné kresby pomocí Z64 Graphomat . Ve stejném roce proběhla první počítačová umělecká soutěž sponzorovaná časopisem Computers and Automation. V roce 1965 se na Technické univerzitě ve Stuttgartu uskutečnila první výstava počítačového umění, po níž následovala řada dalších po celém světě. Od roku 1966 vyvinul Ralph Baer Odyssey , první komerční herní konzoli (později prodávanou společností Magnavox ). Také v roce 1966 John Whitney sr. první digitální počítačově generovaný krátký film Permutace ; Následovaly různé další počítačové animace, například Kolibřík Charlese Csuriho (1967).

70. léta: Kompletní systémy a rastrová grafika

Zatímco uživatelé si dříve museli program pro své grafické terminály psát sami, v 70. letech se situace postupně změnila. Na trh se dostaly různé softwarové balíčky, které umožňovaly kreslení grafiky nebo poskytovaly uživatelské rozhraní. Kromě toho byly prodány kompletní systémy, které téměř úplně izolovaly uživatele od podrobností o softwaru. Abychom zvládli rostoucí rozmanitost výrobců a technologií, byly vyvinuty grafické standardy. První konference ACM SIGGRAPH se konala v roce 1974 a přilákala 600 návštěvníků.

Grafický hardware

Systém Super Paint od Richarda Shoupa jeden z prvního bufferu snímků

Od poloviny sedmdesátých let se hardware úložiště stal dostatečně levným, aby poháněl rastrové obrazovky založené na pixelech s několika stovkami obrazových řádků. Navzdory nevyhnutelnému efektu schodiště nabídla rastrová grafika ve srovnání s vektorovou grafiku řadu výhod: zobrazení s nízkým blikáním i při složité grafice, vyplněné oblasti a levné obrazovky, které dokázaly zobrazit i barvu. Na konci tohoto desetiletí byly rastrové obrazovky populárnější než DVST a vektorové obrazovky.

První komerční framebuffer se objevil v roce 1973. Byl vyvinut společností Evans & Sutherland na základě experimentálního 3bitového framebufferu od Bell Labs. Richard Shoup vyvinul první 8bitový framebuffer v Xerox PARC v roce 1978 .

Vstupní a výstupní zařízení

Zatímco rané grafické systémy bylo možné provozovat pouze pomocí klávesnic a světelných per, v 70. letech se etablovalo velké množství dalších vstupních zařízení, jako jsou myš , trackball , grafické tablety a zařízení citlivá na dotyk.

Mezi výstupními zařízeními byly k dispozici elektrostatické plotry, které poskytovaly rychlý a vysoce kvalitní černobílý výstup. Pomalejší elektromechanické plotry s více pery také umožňovaly barevný výstup. Objevily se také diapozitivy a inkoustové tiskárny , které také podporovaly barevnou grafiku.

Snad největším dopadem tohoto desetiletí byl nástup osobního počítače . Přes svou špatnou grafiku přesvědčil výrobce, aby vyráběli levné plotry a grafické tablety.

Proces vykreslování

Mnohostěn se stínováním Phong (vpravo)
Jeden z prvních snímků vypočítaný pomocí rekurzivního sledování paprsku (1980). Rekurzivní sledování paprsku umožňuje simulaci zrcadlového odrazu a lomu.

Henri Gouraud a Bui Tuong Phong vyvinuli pojmenování po nich pro stínování Evans & Sutherland Shadingverfahren Gouraud a Phong Shading (publikovány 1971 a 1975).

V roce 1974 Edwin Catmull popsal Z-Buffer pro výpočet okluze a mapování textury , pomocí kterého může být povrch 3D modelů vybaven obrazy. V roce 1976 vyvinul Jim Blinn Reflection Mapping , který umožňuje odrazy, ao dva roky později bump mapping pro jednoduchou simulaci nerovností povrchu.

Kolem roku 1979 Douglas Scott Kay a Turner Whitted nezávisle vyvinuli rekurzivní sledování paprsku, rozšíření sledování paprsku, které lze použít k simulaci odrazů a lomu.

Umění a zábava

V roce 1973 byl vytvořen první skutečný objekt, který byl kompletně modelován na počítači. To bylo navržené umělcem Ronald Resch a líčil velkou velikonoční vajíčko. Petera Földes " krátký film Hlad , tažené pomocí tweening techniku, byl první plně animovaný, počítačový film líčí živou bytost. Prvním celovečerním filmem s 3D Computer Generated Imagery (CGI) byl Futureworld (1976), který ukázal polygonový model ruky a hlavy. Mnohoúhelníkový model ruky pochází od Edwina Catmulla , který v roce 1972 digitalizoval a animoval svou levou ruku. Zároveň Fred Parke vytvořil první počítačovou grafiku lidské tváře (tváře jeho manželky). Oba filmy byly oslavovány jako průkopníci počítačové animace a byly použity ve Futureworld.

80. léta: skoky výkonu a grafika pro koncové uživatele

S dramatickým zvýšením výkonu systému PC a pracovních stanic v 80. letech měli koneční uživatelé také přístup k počítačové grafice. V tomto velmi rušném desetiletí bylo založeno mnoho významných společností souvisejících s počítačovou grafikou, jako jsou Silicon Graphics (1981), Adobe , Autodesk a Sun Microsystems (1982), Aldus (1984) nebo Softimage and Pixar (1986).

Hardware

První Apple Macintosh z roku 1984, první počítač s grafickým uživatelským rozhraním

V 80. letech dokázaly špičkové pracovní stanice v cenovém rozpětí 30 000 až 100 000 $ vykreslit věrohodné obrázky téměř v reálném čase . Ke zlepšení grafického výkonu byly použity paralelní procesory a grafické akcelerátory . První cena barva framebuffer pro PC 1985 s TARGA - Vector map of AT & T zavedl. Obrazovky se skutečnými barvami s více než 1 000 řádky zobrazení byly široce dostupné; Monochromatické obrazovky s 3 000 řádky displeje bylo možné zakoupit za přibližně 5 000 dolarů. Z myši se vyvinulo všudypřítomné ukazovací zařízení; objevily se první datové rukavice . Na trhu si podmanily barevné tiskárny různých typů.

Efektivní stereoskopické displeje se staly dostupnými. Dřívější zařízení byla nepraktická a většinou byla založena na červeno-zelených filtrech. V roce 1989 bylo možné zakoupit 3D brýle nebo polarizační obrazovky z tekutých krystalů za 2 000 dolarů. Taková zařízení se používala hlavně ve vědecké vizualizaci .

Ke konci tohoto desetiletí vznikl životaschopný trh pro zařízení pro optický sběr dat a související software. Původní myšlenkou bylo, technické výkresy skenování automaticky vektorizovat av tehdejších obvyklých CAD - formáty souborů převést. Skenování obrázků se později stalo hlavní aplikací.

Aplikační programy

Snímek obrazovky MacDraw

CAD / CAM prošel úplným průlomem v 80. letech. Systémy začaly jako sálové počítače a od poloviny 80. let byly postupně nahrazovány pracovními stanicemi. První verze úspěšného softwaru AutoCAD od společnosti Autodesk se objevila v roce 1982.

První aplikace pro PC, jako je zpracování textu a tabulky, byly založeny na textu. S grafickými počítači se na trh dostaly levné grafické aplikace, včetně aplikací CAD / CAM, prezentačních a malířských programů. První grafické programy pro komerční PC byly MacDraw a MacPaint , které byly představeny v roce 1984 spolu s prvním Macintoshem . Na konci tohoto desetiletí byl grafický software k dispozici pro všechny aplikace.

Alias ​​Research a Wavefront Technologies vyvinuli jeden z prvních nástrojů pro 3D animaci pro profesionální trh .

Grafické normy a standardy

V roce 1985 ANSI a ISO prošly prvním standardem 2D počítačové grafiky GKS , který předepisoval určité minimální požadavky na kompatibilní aplikační programy. GKS-3D a PHIGS následovaly v roce 1988 pro 3D počítačovou grafiku . Kromě toho se objevily důležité průmyslové standardy , jako je jazyk popisu stránky PostScript od společnosti Adobe nebo X Window System , systém spravovaný konsorciem MIT pro poskytování grafických uživatelských rozhraní.

V roce 1981, IBM publikoval první barevný grafický standardu , CGA , pro IBM PC , který byl nahrazen EGA (1984) a VGA (1987).

Proces vykreslování

Vlevo: obraz s normálním sledováním paprsků, vpravo: stejná scéna s trasováním dráhy. Tato počítačová grafika z roku 1986 je jednou z prvních, která zobrazuje žíravinu .

V roce 1984 skupina vědců z Cornellovy univerzity vyvinula Radiosity spolu se sledováním paprsků, jednou ze dvou skvělých metod výpočtu distribuce světla a první metodou, která může za určitých podmínek simulovat globální osvětlení . O dva roky později, Jim Kajiya zveřejnila na zobrazovací rovnice , které klade globální osvětlení na matematickém základu, a cesta sledování algoritmus .

Umění a zábava

V 80. letech začala počítačová grafika ve filmovém průmyslu nacházet široké využití. K filmu Star Trek II: Hněv Khana , první plně digitální, počítačově generovaný obraz sekvence byla vytvořena v roce 1982, inspirovaný Jim Blinn to fly-by animací na Voyager kosmické lodi . Film Tron , uvedený ve stejném roce, byl prvním celovečerním filmem, který ve velkém měřítku použil 3D CGI. Objevily se první 3D videohry, například Cube Quest (1983) od Simutreka . Taran und der Zauberkessel (1985) byl první celovečerní animovaný film, který obsahoval 3D prvky generované počítačem. Ve stejném roce byla v celovečerním filmu v Tajemství skrytého chrámu poprvé uvedena počítačem generovaná bytost - skleněný rytíř. Willow (1988) byla prvním celovečerním filmem, který obsahoval digitální morfingovou sekvenci. Jürgen LIT Fischer byl průkopníkem, který v 80. letech experimentoval s počítačovou grafikou v oblasti výtvarného umění .

90. léta: multimediální a netechnické aplikace

Grafika generovaná pomocí moderního globálního algoritmu osvětlení

Od 90. let se hranice mezi počítačovou grafikou a souvisejícími oblastmi, jako je zpracování obrazu, stále více stírají . Zatímco obě pole dříve vyžadovala odlišnou architekturu pracovní stanice, počítače se nyní staly dostatečně rychlé na to, aby zvládly obě úlohy. Kromě toho bylo možné kombinovat video a audio obsah. Ploché obrazovky stále více přicházejí na trh, v neposlední řadě kvůli poptávce po notebookech .

CAD a vizualizace pronikly do stále více aplikačních oblastí, jako je architektura nebo medicína.

V roce 1992 byla vydána první verze programovacího rozhraní 3D grafiky OpenGL společností Silicon Graphics.

Zatímco na začátku 90. let stále převládaly vědecké a technické aplikace, v průběhu desetiletí se váha stále více přesunula do netechnických oblastí použití.

Počítačová animace pro reklamní průmysl i animace a celovečerní filmy zažily skutečný rozmach . Bernard a Bianca im Kangaroo Land (1990) využívali výhradně Disneyho CAPS proces a byli tak první kompletně digitálně vyrobenou karikaturou. Počítačem generované realistické dinosaury v Jurském parku (1993) stanovily nové standardy pro CGI. V roce 1995 byl uveden Toy Story , první plně počítačově generovaný film.

V roce 1996, 3dfx s Voodoo Graphics, první přední grafický procesor , 3D hardwarová akcelerace nabízená pro neprofesionální použití.

Viz také

Literatura a film

  • Jules Bloomenthal: Grafické vzpomínky. IEEE Annals of the History of Computing 20, 2 (duben 1998): 35-51, ISSN  1058-6180
  • SH Chasen: Historické úspěchy interaktivní počítačové grafiky. Strojírenství 103, 11 (listopad 1981): 32-41, ISSN  0025-6501
  • Kristine K. Fallon: Počátky vývoje počítačové grafiky v architektuře, strojírenství a stavebnictví. IEEE Annals of the History of Computing 20, 2 (duben 1998): 20-29
  • Carl Machover: Stručná osobní historie počítačové grafiky. Computer 11, 11 (listopad 1978): 38-45, ISSN  0018-9162
  • Carl Machover: Čtyři desetiletí počítačové grafiky. IEEE Computer Graphics and Applications 14, 6 (listopad 1994): 14-19, ISSN  0272-1716
  • Terrence Masson: CG 101: A Computer Graphics Industry Reference. Digitální fauxtografie 2007, ISBN 0-9778710-0-2

Dokumentární:

webové odkazy

Individuální důkazy

  1. ↑ James Foley, například: Počítačová grafika: Zásady a praxe . Addison-Wesley, Reading 1995, ISBN 0-201-84840-6 , s. 8.
  2. ↑ Machover 1994, s. 14.
  3. ↑ Masson 2007, s. 386.
  4. ↑ Machover 1978, s. 41.
  5. ↑ a b Machover 1994, s. 15.
  6. ↑ Masson 2007, s. 397.
  7. ↑ Masson 2007, s. 396.
  8. ↑ Podle Fetter, jméno přišlo z jeho kolega Verne Hudson, viz design.osu.edu ( memento na originálu z 5. května 2009 v Internet Archive ) Info: archiv odkaz se automaticky vloží a dosud nebyl zkontrolován. Zkontrolujte prosím původní a archivovaný odkaz podle pokynů a poté toto oznámení odstraňte. @ 1@ 2Šablona: Webachiv / IABot / design.osu.edu
  9. ↑ a b c d Masson 2007, s. 393.
  10. ↑ Masson 2007, s. 395.
  11. ↑ Masson 2007, s. 390.
  12. ↑ Masson 2007, s. 392.
  13. ↑ a b Masson 2007, s. 399.
  14. ↑ a b c Masson 2007, s. 154.
  15. ↑ a b c d Machover 1994, s. 16.
  16. ↑ Masson 2007, s. 400.
  17. ↑ Masson 2007, s. 401.
  18. ^ David A. Cena: Pixar Touch. The Making of a Company New York 2009, ISBN 978-0-307-27829-6 , str. 14-15.
  19. ↑ a b Masson 2007, s. 408.
  20. ↑ Masson 2007, s. 411.
  21. ↑ Masson 2007, s. 412.
  22. ↑ Masson 2007, s. 417.
  23. ↑ Machover 1994, s. 18.
  24. ↑ Masson 2007, s. 419.
  25. ↑ Masson 2007, s. 423.