Развитие компьютерной графики.

В статье Лихач Н.В. (Lihojnik@mail.ru 2004год) приводятся основные этапы развития компьютерной графики, которая используется в настоящее время при моделировании систем в реальном времени, компьютерных играх и фильмах. В 1959 г. в Массачусетском технологическом институте (МТИ) был создан компьютер ТХ-2, впервые использующий графическую консоль - дисплей. В 1961 г. студент МТИ, Айвен Сазерленд, создал компьютерную программу- " Альбом" (Sketchpad), которая позволяла рисовать простые фигуры на дисплее, сохранять их и обращаться к уже готовым прототипам. Ввод информации осуществлялся при помощи светового пера. В том же году другой учащийся МТИ, Стив Рассел, придумывает первую видеоигру - " Звёздные войны" (Space war) для компьютера PDP-1 корпорации DEC (Digital Equipment Corporation). Нельсон Макс из Lawrence Radiation Laboratory создаёт фильмы " Течение вязкой жидкости" и " Распространение ударных волн в твёрдой среде". В компании Boeing Aircraft появляется анимация " Вибрация самолёта". Крупные корпорации - TRW, Lockheed-Georgia, General Electric, Sperry Rand и другие начинают проявлять заинтересованность в компьютерной графике.

В середине 60-х годов компания IBM выпускает первый графический терминал IBM 2250. В 1967 г. на базе Университета в штате Юта организуется исследовательский центр компьютерной графики с привлечением крупных специалистов: Айвен Сазерленд, Дейв Эванс, Эд Катмалл. Фред Пэйркс, Джон Уорнок, Джим Кларк. В Университете Юты был придуман алгоритм удаления невидимых поверхностей - при построении трёхмерных объектов на экране компьютер определял, какие участки отображать, а какие скрывать. Это позволило создавать на плоском дисплее объёмные фигуры.

Технический прогресс не успевал за растущими потребностями машинной графики и остро встал вопрос об оптимизации алгоритмов. Французский ученый Пьеру Безье в 1970 году придумал систему кривых, которая оказалась настолько удачной, что легла в основу не только графических, но и многих других программ. Через год француз Генри Гуро предложил алгоритм затенения, обеспечивающий прорисовку плавных теней вокруг объекта, что позволило изображать трёхмерные объекты на плоском экране.

В 1971 г. появился первый микропроцессор - Intel 4004 названный затем CPU - Central Processing Unit (центральным процессором). Создание микропроцессора резко снизило стоимость машинного времени.

В 1973 г. на базе Ассоциации по вычислительной технике США в рамках Специальной группы по компьютерной графике (Special Interest Group in Computer Graphics, SIGGRAPH) состоялась первая конференция в г. Боулдер, штат Колорадо. С этого момента SIGGRAPH проводится ежегодно. На конференции демонстрируются новые разработки и открытия в области машинной графики. На SIGGRAPH 1975 г. проводилась демонстрация изображения чайника созданного Мартином Ньюеллом из Университета Юты. Впоследствии эта модель долгое время служила эталоном и использовалась для проверки работоспособности и производительности большинства графических систем.

В 1974 г. Эд Катмалл публикует докторскую диссертацию, включающую вопросы наложения текстур, Z-буфера и визуализации сложных поверхностей. Тогда же By Тонг Фонг, программист из Университета Юты, разрабатывает технику затенения объектов взамен уже существующего алгоритма Гуро. Хотя подход Фонга куда более эффективен в плане высокого качества получаемых изображений, всё же его метод практически в 100 раз медленнее алгоритма Гуро.

Значительным шагом в моделировании на компьютере стала работа французского математика доктора Бенуа Мандельброта " Теория фрактальных множеств", изданная в 1975 г. и явившаяся основой фрактальной геометрии. Фракталы помогают моделировать такие сложные объекты природы, как горы, береговые линии, лесные массивы и т. п. Примерно тогда же Джеймс Блинн разрабатывает новую технику реалистичной визуализации трёхмерных объектов- рельефное о текстурирование, сходную с наложением текстур Катмалла. В последующем Блинн дополняет принципы рельефного текстурирования, и итогом становится методика визуализации объектов, учитывающая не только свойства поверхностей, но и ту среду, которая их окружает, - т.н. карта окружения.

Бурное развитие алгоритмов компьютерной графики привело к тому, что многие кинокомпании проявили интерес по её внедрению в производство фильмов. 25 мая 1977 г. на экраны вышел фильм " Звёздные войны". В 1980 г. на очередной конференции SIGGRAPH проводилась демонстрация фильма " Vol Libre" программиста сиэтлской компании " Боинг" Лорена Карпентера. Карпентер переработал исходные алгоритмы фракталов под практические нужды, а итогом стала компьютерная анимация скоростного полёта над меняющимся горным рельефом. В 1981 г. Карпентер, работая уже в Lucasfilm, написал программу для рендеринга изображений (Renders Everything You Ever Saw - визуализирует всё, что вы когда-либо видели). Впоследствии она дала начало проекту RenderMan - унифицированному средству описания процесса трёхмерной визуализации для получения реалистичного отображения.

На конференции SIGGRAPH в 1982 г. Том Брайэм, программист и аниматор из Нью-йоркского института технологий, представил фильм, в котором женщина превращалась в рысь- так родилась новая техника трансформации, или морфинга. Но лишь только в 1987 г. в фильме " Willow" Джордж Лукас воспользовался морфингом, чтобы показать превращение колдуньи из опоссума в козла, из козла в страуса, из страуса в черепаху, из черепахи в тигра, из тигра в человека. В 1984 г. в Lucasfilm разрабатывают специальную технику под названием motion blur - эффект размытости изображений при воспроизведении сцен движения. Наличие размытости добавляет ощущение реализма.

В 1985 г. в фильме " Молодой Шерлок Холмс" производства Lucasfilm впервые был использован объёмный персонаж, целиком выполненный на компьютере, - рыцарь из стеклянной мозаики в церкви, который вступает в рукопашную схватку с живым актёром. Его получили путём сканирования рисунка и последующей компьютерной обработки. В 1986 г. подразделение Lucasfilm, занимающееся спецэффектами, реорганизуется в новое предприятие Pixar. Pixar продолжает изыскания в области компьютерной графики и создает RenderMan. В 1988 г. RenderMan стал стандартом для описания трёхмерных сцен и был одобрен такими крупными предприятиями, как Apollo, Autodesk, Sun Microsystems, Prime, Walt Disney и прочими. Сегодня RenderMan применяется для создания практически всех фильмов, где требуются компьютерные эффекты.

В середине 90-х годов - ОС Windows вошла практически в каждый дом. Компьютерная графика получила дополнительный толчок для развития благодаря снижению цен на ПК и возникновению множества стандартов, способствующих распространению машинной графики в самых разнообразных приложениях. Сеть Интернет, также оказала значительное влияние на развитие компьютерной графики. Содействовали этому и компьютерные игры. Появились новые стандарты: OpenGL и Direct3D. OpenGL (Open Graphics Library - " открытая графическая библиотека") был создан в 1992 г. компаниями: Silicon Graphics, Inc., Microsoft, IBM Corporation, Sun Microsystems, Inc., Digital Equipment Corporation (DEC), Evans & Sutherland, Hewlett-Packard Corporation, Intel Corporation и Intergraph Corporation.

В 1995 г. Microsoft выпускает пакет Games SDK - прародитель DirectX. Через год появляется DirectX 2, включающий Direct3D, который разрабатывался исключительно для игровых приложений.

Были также разработаны стандарты для сжатия изображений и видеоинформации, которые позволили сократить нагрузку на запоминающие устройства и на каналы передачи данных Интернета благодаря уменьшению размеров файлов с сохранением основной информации. Стандарт JPEG для сжатия неподвижных изображений с непрерывно меняющимся цветом (например, фотографии) был придуман в 1991 г. группой экспертов в области фотографии JPEG (Joint Photography Experts Group - " Объединённая группа экспертов по машинной обработке фотоизображений") как эффективный метод хранения визуальных данных. JPEG основана на удалении из изображения той части информации, которая слабо воспринимается человеческим глазом (алгоритм сжатия с потерями информации). Стандарт MPEG (Moving Pictures Experts Group - " Экспертная группа по вопросам движущегося изображения") разработан в том же 1991 г. и описывает основные алгоритмы, используемые для сжатия видеофильмов. Поскольку фильмы содержат как изображение, так и звук, алгоритмы MPEG занимаются сжатием и того, и другого. В последующем был предложен стандарт MPEG-2 (1994 г.), а затем и MPEG-4 (1998 г.). MPEG-4 является, уже объектно-ориентированным и формирует конечное изображение и звук из имеющихся в наличии отдельных объектов, основываясь на схематическом описании события, как, например, в языке VRML. Уже на подходе стандарт MPEG-7, однако он не является следующим поколением стандарта кодирования MPEG. Это всего лишь полностью изменённый набор инструментов и возможностей, разработанный для более простой идентификации, каталогизирования, индексирования, поиска и архивирования цифровых аудио- и видеоданных.

С того момента как Интернет вышел за пределы университетов, многие фирмы, начинают разрабатывать всевозможные приложения для WWW. Так, в 1995 г. компания Sun Microsys-terns объявляет о включении языка Java в популярный тогда браузер Netscape. Java позволил мультимедиа (анимация, сцены, звук и игры) полностью проникнуть в сферу Интернета. Компания Macromedia, в 1996 г. покупает компанию FutureWave Animation, разработавшую в 1995 г. небольшую (она занимала всего 3 Мб), но достаточно революционную для своего времени программу FutureSplash Animator, предназначавшуюся для создания мультфильмов на домашнем ПК. Расширив её, Macromedia выпускает новый продукт под названием Flash (вспышка). Однако лишь третье издание Flash обрело заслуженное признание, став неординарным явлением в мире Интернета. Flash 3 могла создавать лёгкие векторные анимации, кнопки и интерактивные элементы. Причём, чтобы использовать её, не нужно было быть ни профессиональным мультипликатором, ни опытным программистом. Этот факт плюс не имевшие аналогов возможности привлекли в сообщество Flash тысячи талантливых разработчиков. В результате Интернет преобразился, в один год превратившись из статичной газеты в яркое и динамичное шоу. Последующие версии Flash принесли с собой революцию ActionScript - скриптового языка программы. При помощи него стало возможно создавать интерактивные ролики, игры и даже целые сайты. Возник уникальный, не имеющий аналогов симбиоз графики, анимации и программирования в рамках одной системы - Flash от Macromedia.

В 1994 г. Гавин Белл, Рик Кэрей, Марк Песс и Тони Паризи разрабатывают язык моделирования виртуальной реальности (Virtual Reality Modeling Language, VRML), ставший стандартом трёхмерной графики в Интернете. Пик популярности VRML пришелся на 1997 год, когда эту технологию поддержали браузеры Netscape и Internet Explorer. Создавалось множество объёмных миров, электронных магазинов и музеев на основе VRML. Однако в 1999 г. произошло практически полное падение технологии VRML из-за отсутствия серьёзных бизнес-приложений, чрезмерно низкой производительности, неуклюжего интерфейса и посредственной графики VRML-ориентированных проектов.

Развитие игровой индустрии в 90-е годы во многом определило развитие компьютерной графики. В 1993 г. компания id Software выпускает игру Doom. Doom и шедший перед ним Wolfenstein 3D не были трехмерными, но дали старт такому жанру игр, как 3D-action. Тогда же компания Cyan являет игру Myst, отличавшуюся фотореалистичными элементами. В 1995 г. всё свободное время игроков, захватывает Quake (компания Id Software). Quake предлагал гораздо более реалистичную графику, больший выбор оружия, сложные лабиринты комнат, более высокий AI (искусственный интеллект) противника, а также, новый уровень динамизма в многопользовательском варианте игры.

Сегодня можно уверенно предугадать дальнейшие вехи эволюции в графическом мире. В вышедшей в 2002 г. картине " Властелин колец: Две крепости" режиссёра Питера Джексона было 920 эпизодов с компьютерными эффектами и 15 компьютерных персонажей. На аппаратной базе проводившей основную работу над фильмом студии Weta, состоящей более чем из тысячи рабочих станций Silicon Graphics и IBM Linux, обработка заняла около 10 месяцев.

В будущем технологические возможности достигнут таких позиций, что зрителю будет трудно отличить вымысел от реальности. Требования киноиндустрии растут, что и приводит к эволюции компьютерной графики. В 1998 г. произошла т.н. трехмерная революция, когда появился десяток новых моделей трехмерных ускорителей, интегрированных в обычные видеокарты. С этого момента рынок переживал планомерное падение удельной цены компьютерной графики для ПК.

Компьютерные игры, разработанные в 2002 и 2003 гг., отражают текущее состояние компьютерной графики. Производители игр стремятся приблизиться к рубежу реальности, предъявляя всё более высокие требования к аппаратуре - а это, подстёгивает промышленность. Уровень компьютерной графики достиг идеала, о котором не приходилось, и мечтать 30-40 лет назад. С каждым годом мы наблюдаем совершенствование технологий и программного обеспечения. Растут потребности, как профессиональных аниматоров, так и конечных пользователей. Компании, специализирующиеся на компьютерной графике, постоянно предлагают свои новые продукты, чтобы удовлетворить самые высокие запросы человечества.