1 Немного истории

• 1. Введение

Развитие вычислительной техники позволило не только встать на новый уровень ведения расчетов, делопроизводства, но и потеснить краски и кисти в художественных мастерских. Интерфейс общения с компьютером, телевизором также изменился - он стал графическим. Удобство изображения очевидны - они наглядны, хорошо воспринимаются, естественны. Компьютер может показать невидимое, визуализировать данные приборов, датчиков. Компьютерная графика пробуждает к жизни мертвые числа.

Зародилась компьютерная графика в 60-х годах, вместе с первыми графическими программами Айвена Сазерленда. Сегодня компьютерная графика применяется практически всюду - телевидение, кинематрогаф, в конструкторском бюро, в лабораториях, в кабинете врача, красильных мастерских и цехах и т.д. Часто мы просто не задумываемся, что такой красивый рисунок платья был создан ЭВМ, а реклама на телевидении тоже плод компьютерной графики.

1. 1.1. Немного истории

Но это были лишь отдельные попытки, скорее развлечения программистов. Однако, как-то воскресным вечером в декабре 1951 года зрители телевизионной программы “Смотри это сейчас” (США) с удивлением услышали слова обозревателя Эдварда Р. Мюрроу: “Мы живем во времена механических и электронных чудес. Одно из них создано в Массачусетском технологическом институте для военно-морского флота”. Далее Мюрроу сказал, что речь идет о компьютере “Вихрь”. “Мы все волнуемся, - продолжал он, - сейчас нам предстоит интервьюировать новую машину. Итак, в Кембридж, в компьютерную лабораторию МТИ!” Затем зрители увидели на экранах нечто похожее на слова, составленные из огней иллюминации: ХЭЛЛО, М-Р МЮРРОУ. Но на самом деле никаких лампочек не было - это светились яркие точки на экране электронно-лучевой трубки. Так человечество вступило в новый мир компьютерной графики.

Инженер Массачусетского технологического института (МТИ) Джей У. Форрестер, опутанный кабелями микрофона и наушников, продемонстрировал телезрителям некоторые возможности своего замечательного изобретения. Из студии в Нью-Йорке Мюрроу связался с каким-то адмиралом из Пентагона, и тот поставил перед машиной одну из задач, для решения которой она предназначалась. Требовалось рассчитать расход топлива, траекторию полета и скорость ракеты “Викинг”, которая должна была достичь высоты около 200 км, а затем рухнуть на землю. Телезрители и слегка ошарашенный Мюрроу увидели, как на экране “Вихря” появились графики пути, скорости и расхода топлива для типичного полета, составленные из тех же светящихся точек, что и приветствие в начале передачи. “Я не понял вопроса, - признавался позже Мюрроу, - и до сих пор не понимаю ответа”.

Более поздним поколениям людей, избалованным видеоигровыми салонами и сложными специальными эффектами компьютерной графики в кино и на телевидении, нелегко понять смущение тех первых зрителей и оценить значение примитивных изображений, созданных “Вихрем”. Тем не менее, те, кто смотрел передачу Мюрроу в то воскресенье, присутствовал при рождении нового способа общения с компьютером, которое стало привычным для их детей.

Но в 1950 году все это было еще впереди. Чтобы компьютерная графика превратилась из многообещающей идеи в широко доступный инструмент, потребовались усилия еще одного талантливого молодого ученого из МТИ - Айвена Сазерленда.

Спустя лишь десяток лет, ноябрьским утром 1961 года, когда жители Бостона и его окрестностей еще нежились в своих постелях, досматривая сны, Айвен Сазерленд, соискатель докторской степени по электротехнике Массачусетского технологического института и незаурядный программист, сидел в подвале Линкольновской лаборатории МТИ за пультом компьютера ТХ-2. Он был поглощен своей диссертационной работой - созданием программы компьютерной графики под названием “Блокнот” (Sketchpad). Это название пришло от известной привычки инженеров сначала делать наброски технической идеи на клочке бумаги, а затем “доводить ее до ума”, внося бесчисленные поправки. Молодой ученый не сомневался, что ему удастся превратить компьютер в отличный инструмент для подобной деятельности.

В то ноябрьское утро левая рука Сазерленда порхала над ящичком, утыканным рядами кнопок, а в правой он держал световое перо, пришедшее на смену изобретенному десятилетием раньше световому пистолету компьютера “Вихрь”. Сазерленд прикоснулся кончиком светового пера к центру экрана монитора, где светилось слово “чернила”, отчего оно превратилось в маленький крестик. Затем, нажав на 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 не перемещалось, линия следовала за ним, как резинка, привязанная одним концом к центру крестика, а другим к кончику пера. Нажав другую кнопку, Сазерленд оставил линию на экране и убрал световое перо.

Эта линия, по современным понятиям не представляющая собой ничего особенного, четверть века назад стала символом важнейшего достижения. Одним росчерком светового пера Сазерленд раздвинул пределы взаимодействия человека с компьютером. “Блокнот” обещал превратить компьютер в инструмент, доступный любому. Даже на начальных стадиях разработки программа позволяла человеку, не имеющему никаких навыков программирования, использовать компьютерную графику для решения сложных технических проблем. В конечном счете, работа Сазерленда в МТИ возвестила о решающем переломе в истории компьютерной графики. До появления “Блокнота” весьма примитивные средства компьютерной графики использовались в основном для военных целей. После работ Сазерленда компьютерная графика все шире начала применяться как средство проведения инженерных и конструкторских разработок в промышленности, прежде всего автомобильной и космической, а затем и во многих других отраслях. В большой степени благодаря таланту и дальновидности Сазерленда компьютерная графика вышла из стен лабораторий и военных баз в широкий мир.

И если первые работы были в основном направлены на развитие векторной графики, т.е. рисование отрезками, то с удешевлением растровых дисплеев (где изображение представляется в виде точек) и памяти, стали применяться растровые алгоритмы. Во многом развитие этого направления обязано Брезенхейму, который сначала для векторных, а затем для растровых дисплеев разработал быстрые алгоритмы рисования линии и окружности.

В 70-е годы появилось значительное число работ по методам отображения пространственных форм и объектов. Это направление принято называть трехмерной компьютерной графикой. В 1974 году появилась идея палитры: для получения цветного изображения выбирается некоторое число цветов из всевозможных, и именно они используются для изображения. Дело в том, что часто на изображении присутствуют не все цвета и их оттенки, поэтому можно использовать только те, которые присутствуют. Это понадобилось при анализе изображений со спутника, когда не хватало памяти и требовалась большая скорость обработки изображений.

Начиная с 1975 года, благодаря работам французского математика Бенуа Мандельброта, начинает развиваться новая теория - фрактальная геометрия (от латинского fractio - часть, дробь), что подчеркивает дробную размерность геометрических преобразований. Например, прямая - одномерна, плоскость - двумерна, о кривой же, проходящей почти через все точки плоскости, можно в принципе сказать, что ее размерность больше единицы, но меньше двух. С помощью этой теории стало возможным получение правдоподобных пейзажей. По словам Мандельброта, фракталы “позволяют охватить причуды природы - изломы дубовой коры, растрескавшийся ил в руслах пересохших рек, листья капусты брокколи. Все это нерегулярные формы, обладающие вместе с тем достаточной регулярностью, чтобы их можно было описать математически”. Фракталы широко применяются в компьютерной живописи и моделировании реальных природных изображений.

В начале 80-х компьютерная графика стала все глубже проникать в повседневную жизнь. Телевизионные компании, стремясь повысить популярность своих программ, используют компьютеры для получения цветных, быстро меняющихся изображений. Кинематографисты идут еще дальше, вводя в фильмы специальные эффекты, переносящие зрителей в такие недоступные места, как глубокий космос или “внутренность” компьютерной видеоигры, показывая причудливых внеземных существ. А производители игровых автоматов вовлекли миллионы людей в мир интерактивной графики, от электронного пинг-понга до автогонок. Одновременно графика становилась не только целью, но и средством. Некоторые специалисты поняли, что доступность компьютерной графики, позволяющая игрокам почти интуитивно взаимодействовать со специализированными компьютерами, может помочь новичкам в освоении компьютеров. Психологами так же отмечается воздействие игр на сознание людей. Создавая игры, производители моделируют разные миры, которые откладываются в голове человека, и возможно, влияют на деятельность и цели человека (на уровне подсознания) в дальнейшем. В середине 80-х годов графические средства стали непременной принадлежностью большинства серийных персональных компьютеров, причем особенный упор делается на графический способ общения с пользователем.

Так же в 80-х годах были созданы системы обработки данных, представляющие данные в виде изображений. Одно из открытий - компьютерная томография - данные, поступающие от рентгеновского аппарата, сканирующего тело человека поступают на компьютер, и он создает изображение в виде участков различного цвета. Каждый цвет символизирует определенные области человеческих органов. Создается объемная картина внутренних органов, которую можно посмотреть с различных сторон и в разных разрезах. Это дает специалистам более глубоко понять и проанализировать состояние органов и поставить более точный диагноз. Данное открытие позволяет всесторонне изучить исследуемый объект. Разработка компьютерной томографии отмечена нобелевской премией. Преобразование не графической информации в изображение нашло широкое применение и в других областях - изображение данных снятых с электронного микроскопа, изображение излучений не лежащих в видимом спектре. С помощью компьютерной графики можно увидеть невидимое.

В конце восьмидесятых - начале девяностых появилась виртуальная реальность, когда с помощью специальных программ и оборудования (костюм с датчиками, шлем с экраном, перчатки и др.) моделируется не только вид окружающего мира, но и ощущение его, что не было бы возможным без мощных программ по компьютерной графике.