1.2.4 Комп'ютерна графіки в індустрії розваг

Популярність комп'ютерних ігор відома всім. Високий споживчий попит в даній сфері стимулює розвиток як самої комп'ютерної графіки, так і апаратних засобів, що використовуються в ній.

1.3 Історія розвитку комп'ютерної графіки

Розглянемо коротко основні етапи розвитку комп'ютерної графіки. Відправною точкою можна вважати 1930 рік, коли Володимир Зворикін винайшов принцип дії та конструкцію електронно-променевої трубки (ЕПТ), що вперше дозволила одержувати зображення на екрані без використання механічних рухомих частин. Саме ЕПТ є прообразом сучасних телевізійних кінескопів і комп'ютерних моніторів.

Початком ери власне комп'ютерної графіки можна вважати грудень 1951 року, коли в Массачусетському технологічному інституті (МТІ) для системи протиповітряної оборони США було розроблено перший комп'ютер "Вихор"(Whirlwind) з відеотерміналом (фактично осцилографом), який виводив дані в реальному масштабі часу. Винахідником цього терміналу був інженер МТІ Джей Форрестер.

Комп'ютери тієї епохи були здатні генерувати тільки найпростіші контури – лінії. Сам термін "Комп'ютерна графіка" винайшов в 1960 році дизайнер компанії Boeing  Aircraft Уільям Феттер.

Перше реальне використання комп'ютерної графіки пов'язане з ім'ям Джона Уїтні, який відкрив еру комп’ютерної мультиплікації. Він займався кіновиробництвом і використав комп'ютер для створення титрів до фільму "Головокружение" Альфреда Хичкока 1958 року.

У 1961році студент МТІ Стів Рассел створив першу комп'ютерну відеогру Spacewar ("Зоряна війна"). Науковий співробітник Bell Telephone Laboratories Едвард Зеджек підготував анімаційний фільм, у якому показав просторове переміщення супутника на орбіті Землі, використавши осцилограф у якості дисплея.

Наступний крок у розвитку комп’ютерної графіки пов'язаний з ім'ям Айвена Сазерленда, який в 1963 році, будучи студентом того ж МТІ, створив комп’ютерну програму, названу Sketchpad (альбом для рисування). Програма використовувала світлове перо і рисувала найпростіші фігури – точки, лінії, прямокутники, дуги кіл, могла реалізувати алгоритм обертання фігури на екрані. Після цієї програми такі фірми, як "Дженерал моторз" та "Дженерал електрик" приступили до розробок у галузі комп'ютерної графіки.

В 1962 році математик та інженер П’єр Безьє розробив геніальну систему кривих, названих кривими Безьє. В комп’ютерній графіці, анімації, системах автоматизованого проектування у процесі моделювання гладеньких ліній та розробки шрифтів криві Безьє займають центральне місце.

Спочатку комп'ютерна графіка була векторною, тобто зображення формувалося з тонких ліній, які є графічним зображенням математичних функцій. Це було пов'язано з технічною реалізацією комп'ютерних дисплеїв. Надалі все більшого застосування отримала растрова графіка, заснована на поданні зображення на екрані у вигляді матриці однорідних елементів – пікселів.

У 1965 році фірма IBM випустила перший комерційний графічний термінал під назвою IBM-2250.

У 1967 році на базі Університету Юті Айвен Сазерленд и Девід Еванс створили дослідницький центр комп’ютерної графіки всесвітнього масштабу, в якому вивчались аспекти візуальної взаємодії комп’ютера з людиною. В цьому центрі працювали відомі фахівці Джон Уорнок, розробник мови Post Script, Джеймс Кларк, який є одним із засновників Silicon Graphics и Netscape Communications.

У 70-ті роки минулого століття відбувся різкий стрибок у розвитку обчислювальної техніки – з'явився мікропроцесор, персональні комп'ютери, почали широко розвиватися комп'ютерні ігри, тренажери. Так в кінці 70-х років для екіпажів космічних кораблів "Шаттл" з'явилися тренажери, що використовували комп'ютерну графіку. Комп'ютерна графіка починає широко використовуватися на телебаченні та кіноіндустрії. Це був час появи нових алгоритмів.

Комп’ютерна графіка починає розвиватися в бік все більшої реалістичності зображень. Так у 1971 році математиком Анрі Гуро було створено алгоритм прорисовування плавних тіней. Ця методика дозволяла плавно змінювати колір об’єкта або поверхні в тривимірній сцені в залежності від кута падіння світлових променів і відстані від їх джерела. Метод одержав назву – затінення методом Гуро.

У 1973 році Буй Тіонг Фонг розробив свою техніку – затінення за Фонгом або метод зафарбовування Фонга. Зафарбування виконується набагато повільніше, ніж у Гуро, але освітлення стає більш реалістичним.

Едвін Кетмелл в 1974 році створює перші алгоритми текстурування криволінійних поверхонь. У 1977 році Джон Млінец пропонує алгоритми реалістичного зображення шорсткуватих поверхонь (мікрорельєфів). Франклін Кроу розробляє методи усунення ступеневого ефекту під час зображення контурів (антиелайзінг). Джон Брезенхем створює ефективні алгоритми побудови растрових образів відрізків, кіл і еліпсів.

У 1975 році Спеціальна група з комп’ютерної графіки (Special Interest Group in Computer Graphics, SIGGRAPH) демонструвала об’єкт, який став "іконою" комп’ютерної графіки. Це був звичайний заварний чайник в тривимірному зображені, створений Мартіном Ньюеллом. За допомогою чайника програмісти вивчали підходи до освітлення, затінення і передачі кольорів з метою досягнення глибини і реалізму зображення. Чайник Ньюелла, як культовий фізичний об’єкт, зберігається в Музеї комп’ютерної історії в Маунтін-В’ю, Каліфорнія.

Значним кроком в комп’ютерному моделюванні стало опублікування в 1977 році математиком Бенуа Мандельбротом математичної теорії фрактальної геометрії, за допомогою якої стало можливим моделювання таких натуральних об’єктів, як гори, хмари, крони дерев, сніжинки тощо.

У 1977 році з'являється новий журнал "Computer Graphics World".

Рівень розвитку обчислювальної техніки до цього часу вже дозволив використовувати "жадібні" алгоритми, які вимагали великих обсягів пам'яті, і в 1978 році Едвін Кетмелл пропонує метод Z-Буфера – видалення прихованих поверхонь для придання об’єктам об’ємності і реалістичності. В тому же році Джеймс Блінн розробляє техніку рельєфного текстурування.

У цьому ж 1978 році Майк Кірус і Джей Бек розвивають алгоритми кліпування (відсікання) ліній. А в 1979 році Вінсер Мак Кей і Дон Грінберг вперше реалізують зображення напівпрозорої поверхні.

У 1980 році Тернер Уіттед розробляє загальні принципи трасування променів, які включають відбиття, заломлення, затінення і методи антиелайзінга.

У 80-ті роки минулого століття з'являється цілий ряд компаній, які займаються прикладними розробками у галузі комп'ютерної графіки. У 1982 році на екрани кінотеатрів вийшов фільм "Трон", у якому вперше використовувалися кадри, синтезовані на комп'ютері. Ще в 1979 році Джордж Лукас, глава фірми "Lucasfilm" і творець серіалу "Зоряні війни", організував у своїй фірмі відділ, який займався впровадженням останніх досягнень комп'ютерної графіки в кіновиробництво.

У 1982 році Джеймс Кларк створює Silicon Graphics, тоді ж виникає Ray Tracing Corporation, Adobe System.

У 90-ті роки в зв'язку з появою мережі Інтернет з'являється ще одна сфера застосування комп'ютерної графіки – Web-дизайн.

Неважко помітити, що успіхи в комп'ютерній графіці належать американцям. Але й у вітчизняній науці теж були свої розробки.

В 1968 році в СРСР було знято мультфільм  "Кошечка", ставший першим, у якому персонаж було створено за допомогою комп’ютерної анімації. Група спеціалістів під керівництвом математика Миколи Константинова на обчислювальній машині змоделювала з достатньою реалістичністю рухи кішки через систему диференціальних рівнянь другого порядку. Кожен кадр виводився на прилад друку, а далі їх об’єднали в стрічку.

Також можна назвати ряд технічних реалізацій дисплеїв:

1968 р., ВЦ АН СРСР, машина БЕОМ-6, використовується перший растровий дисплей з відео пам’яттю на магнітному барабані;

1972 р., Інститут автоматики і електрометрії (ІАІЕ), векторний дисплей "Символ";

1973 р., ІАІЕ, векторний дисплей "Дельта";

1977 р., ІАІЕ, векторний дисплей ЕПГ-400;

1982 р., Київ, НДІ периферійного обладнання, створений векторний дисплей СМ-7316, на 4096 символів, роздільна здатність 2048х2048;

1979-1984 рр., Інститут прикладної фізики випустив серію растрових кольорових напівтонових дисплеїв "Гамма". Останні дисплеї цієї серії мали таблицю кольоровості і підтримували вікна, плавне масштабування.

Таким чином, в процесі розвитку комп'ютерної графіки можна виділити кілька етапів:

– у 1970-ті роки вона формувалася, як наукова дисципліна. В цей час розроблялися основні методи і алгоритми: відсікання, растрове розгортання графічних примітивів, зафарбування узорами, реалістичне зображення просторових сцен (видалення невидимих ліній і граней, трасування променів), моделювання освітлення;

– у 1980-ті роки графіка розвивається як прикладна дисципліна, розробляються методи її застосування в різних галузях людської діяльності;

– у 1990-ті роки методи комп'ютерної графіки стають основними засобами організації діалогу «людина-комп'ютер» і залишаються ними до теперішнього часу.

Галузі застосування комп'ютерної графіки на даному етапі дуже широкі:

– у промисловості використовується комп'ютерне моделювання технологічних процесів з їх графічним відображенням на екрані. Наприклад, розробка нових автомобілів проходить на комп'ютері від стадії первинних ескізів зовнішнього вигляду корпусу автомобіля до розгляду поведінки деталей автомобіля в різних дорожніх умовах;

– в медицині застосовуються комп'ютерні томографи, що дозволяють заглянути всередину тіла і поставити правильний діагноз;

– в архітектурі широко застосовуються системи автоматизованого проектування (CAD - Computer Aided Design), які дозволяють розробити повний проект будівлі, ґрунтуючись на методах комп'ютерної графіки;

– хіміки вивчають складні молекули білків, користуючись засобами комп'ютерного відображення даних;

– в телебаченні і кінематографії комп'ютерна графіка стала повсякденним явищем. У світі регулярно проводяться виставки картин, наприклад, такі як SIGGRAPH (Special Interest Group in Computer Graphics), створених за допомогою комп'ютера.

– в математиці розвиток фракталів був би неможливим без комп'ютерів з відповідними засобами графічного відображення даних;

– засоби мультимедіа привели до появи нових джерел інформації, які об'єднують в собі статичні та відеозображення, текст і звук;

– новітні операційні системи працюють в графічному режимі.