Компью́терная гра́фика — это создание, хранение и обработка (визуализация) изображений с помощью компьютеров. Компьютерная графика применяется в моделировании объектов, визуализации технических процессов, в кино, видеоиграх, цифровом искусстве, пользовательском интерфейсе операционных систем. Для вывода графической составляющей на дисплей используются видеокарты, а для создания объектов и анимаций — специализированное программное обеспечение. Нехудожественные аспекты компьютерной графики является важной областью компьютерных наук. Термин был придуман в 1960 году Верном Хадсоном и Уильямом Феттером из Boeing. В английском языке часто используется сокращение CG или, в контексте кино, CGI (компьютерная генерация изображений), в русском языке первое слово в технических контекстах обычно опускается, и говорится просто графика. Под категорией компьютерной графики объединяются такие концепты и понятия, как пользовательский интерфейс, спрайтовая и векторная графика, рендеринг, трассировка лучей, обработка геометрии объектов, компьютерная анимация, 3D-моделирование, шейдеры, проектирование ГПУ, визуализация, научные вычисления, обработка изображений, вычислительная геометрия и компьютерное зрение. Общая методология проектирования и синтеза графических изображений и объектов основывается на геометрии, оптике и физике.
Прогресс в создании компьютерной графики оказал значительное влияние на различные типы медиа и привел к развитию и вообще к значительной трансформации мультипликационной анимации, кино и видеоигр.
Термин Термин «компьютерная графика» широко используется для описания «почти всего на компьютерах, что не является текстом или звуком». Обычно под компьютерной графикой понимается несколько различных вещей: представление и обработка изображений компьютером; различные технологии создания и обработки изображений; методы цифрового синтеза и обработки визуального контента.
Сегодня компьютерная графика широко распространена. Такие изображения можно найти на телевидении, в газетах, в прогнозах погоды, а также в медицинских исследованиях и хирургических процедурах. Хорошо построенный график может представить сложную статистику в форме, которую легче понять и интерпретировать. В медиа «такие графики используются для иллюстрации статей, отчетов, диссертаций» и других материалов для презентаций.
Было разработано множество инструментов для визуализации данных. Компьютерно сгенерированное изображение можно классифицировать по нескольким типам: двухмерное (2D), трехмерное (3D) и анимационная графика. С улучшением технологий трехмерная компьютерная графика стала более распространенной, но двухмерная компьютерная графика все еще широко используется. Компьютерная графика стала подразделением компьютерных наук, изучающим методы цифрового синтеза и обработки визуального контента. За последнее десятилетие были разработаны и другие специализированные области, такие как информационная визуализация и научная визуализация, которые более ориентированы на «визуализацию трехмерных явлений (архитектурных, метеорологических, медицинских, биологических и т. д.), где акцент делается на реалистичном отображении объемов, поверхностей, источников освещения и т. д., возможно, с динамической (временной) составляющей».
История
Предшествующие науки развитию современной компьютерной графики были достижения в области электротехники, электроники и телевидения, которые произошли в первой половине XX века. Экраны могли отображать искусство с помощью матовых пленок Люмьер для создания спецэффектов в ранних фильмах, начиная с 1895 года, но такие дисплеи были ограничены и неинтерактивными. Первая катодно-лучевая трубка, трубка Брауна, была изобретена в 1897 году — она, в свою очередь, позволила создать осциллограф и военную панель управления — более прямые предшественники этой области, так как они предоставляли первые двумерные электронные дисплеи, реагирующие на программные или пользовательские вводы. Тем не менее, компьютерная графика оставалась относительно неизвестной дисциплиной до 1950-х годов и послевоенного периода, во время которого дисциплина возникла из сочетания как чисто университетских и лабораторных академических исследований более совершенных компьютеров, так и дальнейшего развития технологий Вооруженных Сил США, таких как радар, передовая авиация и ракетостроение, развитые во время Второй мировой войны. Для обработки огромного количества информации, полученной в результате таких проектов, требовались новые виды дисплеев, что привело к развитию компьютерной графики как дисциплины.
1950
Ранние проекты, такие как Whirlwind и SAGE Projects, представили электронно-лучевую трубку (CRT) как жизнеспособный дисплей и интерфейс взаимодействия, а также ввели световое перо как устройство ввода. Дуглас Т. Росс из системы Whirlwind SAGE провел личный эксперимент, в котором написал небольшую программу, которая фиксировала движение его пальца и отображала его вектор (его написанное имя) на дисплее. Одной из первых интерактивных видеоигр с узнаваемой графикой — Tennis for Two — была создана для осциллографа Уильямом Хигинботамом для развлечения посетителей в 1958 году в Брукхейвенской национальной лаборатории и имитировала теннисный матч. В 1959 году Дуглас Т. Росс снова совершил инновацию, работая в Массачусетском технологическом институте (MIT), преобразовав математические выражения в компьютерно генерируемые 3D-векторы для станков с числовым программным управлением, воспользовавшись возможностью создать изображение героя мультфильма The Walt Disney Company на дисплее.
Область компьютерной графики развивалась с появлением аппаратного обеспечения для компьютерной графики. Дальнейшие прогрессивные достижения в области вычислительной техники привели к еще большим прорывам в интерактивной компьютерной графике. В 1959 году в лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института был разработан компьютер TX-2. В TX-2 было интегрировано несколько новых интерфейсов человек-машина. С помощью светового пера можно было рисовать эскизы на компьютере с использованием революционной программы Айвена Сазерленда под названием Sketchpad. С помощью светового пера в Sketchpad можно было рисовать простые фигуры на экране компьютера, сохранять их и затем восстанавливать. Само световое перо имело небольшую фотоэлектрическую ячейку на конце. Эта ячейка выдавала электронный импульс при каждом попадании перед нею экрана компьютера и прямой выстрел его электронной пушки. Просто синхронизируя электронный импульс с текущим положением электронной пушки, было легко точно определить местоположение пера на экране в любой момент времени. После этого компьютер мог нарисовать курсор в этом месте. Сазерленд, казалось, нашел идеальное решение для многих графических проблем, с которыми он сталкивался. Многие стандарты интерфейсов компьютерной графики начали свое развитие с этой ранней программы Sketchpad. Один из примеров — это ограничения рисования. Если, например, кто-то хочет нарисовать квадрат, ему не нужно беспокоиться о том, чтобы нарисовать четыре линии идеально, чтобы образовать границы коробки. Просто можно указать, что хочется нарисовать коробку, а затем указать местоположение и размер коробки. Программа затем построит идеальную коробку с правильными размерами и в правильном месте. Программное обеспечение Сазерленда моделировало объекты, а не только изображение объектов. Другими словами, с помощью модели автомобиля можно было изменить размер шин, не затрагивая остальную часть автомобиля. Можно было растягивать кузов автомобиля, не деформируя шины.
1960 Термин «компьютерная графика» приписывается Уильяму Феттеру, графическому дизайнеру компании Boeing в 1960 году. Сам Феттер в свою очередь отнес ее к Верну Хадсону, также работавшему в Boeing.
В 1961 году еще один студент Массачусетского технологического института Стив Рассел создал еще одну важную игру в истории видеоигр — Spacewar! Написанная для компьютера DEC PDP-1, Spacewar стала мгновенным успехом, и копии начали поступать к другим владельцам PDP-1, и в конечном итоге DEC получила копию. Инженеры DEC использовали ее как диагностическую программу на каждом новом PDP-1 перед его отправкой. Продажи быстро заметили это, и при установке новых устройств они запускали «первую в мире видеоигру» для своих новых клиентов. (Tennis For Two Хиггинботама опередил Spacewar почти на три года, но он был почти неизвестен за пределами исследовательской или академической среды).
Примерно в то же время (1961—1962) в Кембриджском университете Элизабет Уолдрам написала код для отображения радиоастрономических карт на катодно-лучевой трубкеEDSAC 1 and after — a compilation of personal reminiscences , Retrieved 11 July 2019..
В 1963 году научный сотрудник Белловской лаборатории Э. Э. Заджак создал фильм под названием «Симуляция системы управления гравитацией с двумя гироскопами». В этом компьютерно созданном фильме Заджак показал, как можно изменить ориентацию спутника при его вращении вокруг Земли. Он создал анимацию на компьютере IBM 7090. Также в Белловской лаборатории Кен Ноултон, Фрэнк Синден, Рут А. Вайсс и Майкл Нолл начали работать в области компьютерной графики. Синден создал фильм под названием «Сила, масса и движение», иллюстрирующий законы движения Ньютона. Примерно в то же время другие ученые создавали компьютерную графику, чтобы иллюстрировать свои исследования. В Лаборатории имени Лоуренса Нельсон Макс создал фильмы «Поток вязкой жидкости» и «Распространение ударных волн в твердых телах». В компании Boeing Aircraft был создан фильм «Вибрация самолета».
Также в начале 1960-х годов благодаря ранней работе Пьера Безье в компании Renault, который использовал кривые Поля де Кастельжо (теперь называемые кривыми Безье по работе Безье в этой области) для разработки техник 3D-моделирования для кузовов автомобилей Renault, они стали основой для многих техник моделирования кривых в этой области.
Не прошло много времени, и крупные компании начали проявлять интерес к компьютерной графике. , Lockheed-Georgia, General Electric и Sperry Rand — среди многих компаний, которые начали заниматься компьютерной графикой к середине 1960-х годов. IBM оперативно отреагировала на этот интерес, выпустив графический терминал IBM 2250 — первый коммерчески доступный компьютер с графикой. Ральф Бер, главный инженер в Sanders Associates, разработал домашнюю видеоигровую приставку в 1966 году, лицензию на которую позже приобрела Magnavox и которая получила название Odyssey. Хотя приставка была очень простой и требовала недорогих электронных компонентов, она позволяла игроку перемещать точки света по экрану. Это был первый продукт компьютерной графики для потребителя. Дэвид С. Эванс был директором инжиниринга в компьютерном подразделении Bendix Corporation с 1953 по 1962 год, после чего он работал в течение следующих пяти лет как приглашенный профессор в Беркли. Там он продолжал интересоваться компьютерами и их взаимодействием с людьми. В 1966 году Университет Юты привлек Эванса для создания программы компьютерных наук, и компьютерная графика быстро стала его основным интересом. Этот новый отдел стал основным исследовательским центром мира по компьютерной графике в течение 1970-х годов.