МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ «ВИТЕБСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ П.М. МАШЕРОВА»

Реферат по информационным технологиям

ИСТОРИЯ ТРЕХМЕРНОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ

Сараковская Дарья Дмитриевна

Витебск, 2015

Оглавление

1.          ВВЕДЕНИЕ  3

2.          ГЛАВА 1   4

3.          ГЛАВА 2   5

4.          Глава 3   15

5.          БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК   21

1.     ВВЕДЕНИЕ

1995 год принято считать, что игра «Doom 2» была установлена на большее количество компьютеров, чем какое-либо программное обеспечение.

Рисунок 1‑1.

 Doom 2 и программное обеспечение

В чем же заключается успех популярности этой игры? Захватывающий игровой процесс и отличная, по тем временам, графика создавали настолько глубокий эффект погружения, что людей невозможно было оттащить от компьютера. И если геймплэй, по сути своей, напоминал любую другую игру, где игроку приходилось пробираться через многочисленную группу врагов, то графика была не просто хорошо исполнена. Она открывала для большинства новое измерение – 2,5 D. Что это?

Рисунок 1‑2

Измерения 3 Dи 2,5 D

 Стоит понимать, что предмет компьютерной графики не так прост как кажется. Это та вещь, у которой долгая и солидная история с некоторыми, довольно неожиданными, явлениями. Так позволим же себе переместиться на некоторое время назад, чтобы понять, откуда растут корни компьютерной графики и, то, как она развивалась.

2.                ГЛАВА 1

Определение «графика»

Для начала нужно разобрать определение «компьютерная графика». «Компьютерная графика» -  область деятельности, в которой компьютеры используются в качестве инструмента, как для синтеза (создания) изображений, так и для обработки визуальной информации, полученной из реального мира.

Рисунок 2‑1

Примеры графики

Если «графику» мы можем грубо назвать «изображением», то компьютер это далеко не обязательно электронное устройство с монитором. Ведь наверняка вы слышали слова «аналоговый компьютер». Что же это такое? Это логометрическая линейка, это арифмометр «Феликс», стоящий у вашей бабушки в комоде, это система управления огнем, использовавшаяся российским императорским флотом во время первой мировой войны, антикитерский механизм, созданный в греции примерно в 100 году до нашей эры и использующийся для расчета движения небесных тел тоже можно назвать компьютером. Так называемые «аналоговые компьютеры» использовали физические величины для передачи информации и именно с них начинается история компьютерной графики.

3.     ГЛАВА 2

Первые шаги

После второй мировой войны, а именно с 40-х один из пионеров компьютерной графики Джон Уитни купил автоматизированный аналоговый компьютер противовоздушной обороны, которые после боевых действий стали не нужны и, совместив его с сервоприводом и фотоаппаратом, стал создавать экспериментальные анимационные ролики. Его работы не остались незамеченными, и в 1958 году сам Альфред Хичкок использовал его труды для создания титров к фильму «Вертиго» или «Головокружение». И действительно сложные вращающиеся объекты, как никогда, подходят для демонстрации подобного состояния.

Рисунок 3‑1

Титры из фильма «Головокруженеие»

В 1950 году математик Бэн Лапосски выявил изображение на экран осциллографа и запечатлел его на пленку. Необычные абстрактные объекты, которые Бэн назвал «осциллионы» были продемонстрированы в 1952 году. Осциллионы представляли из себя что-то похожее на фигуры лиссажу, которые знакомы физикам, исследующим характеристики электрических сигналов.

Рисунок 3‑2

 «Осциллионы»

Следующим шагом в развитии компьютерной графики был переход из разряда аналаговый в разряд цифровой, который  стартовал в 1945 году в лабораториях MIT, где через 6 лет разработки был создан компьютер Whirlwind. Одной из особенностей которого была возможность вывода графики и текста на большой экран осциллографа в реальном времени.

Рисунок 3‑3

Компьютер Whirlwind

Но своеобразным взрывом стала работа еще одного пионера компьютерной графики Рассела Кирша. Команда, работавшая под его руководством в 1957 году, создала сканер для компьютера, названного «стандартизированный электронный восточный автоматический компьютер» и с его помощью выявили на экран осциллографа отсканированную фотографию сына Рассела.

Рисунок 3‑4

Первое отсканированное изображение

Черно-белое изображение разрешением 176х176 пикселей, что, кстати неожиданно, ведь еще в начале текущего тысячелетия мобильные телефоны обладали гораздо меньшим разрешением дисплея. Фотография попала в список из ста фотографий изменивших мир по версии журнала LIFE.

Сам же термин «компьютерная графика» появился лишь в 1960 году, создание его приписывают Уильяму Феттеру, который так описывал направление своей работы в компании «Boing». В 1964 году Уильям создал проволочную модель человека, которая получила название «Человек Боинга» или как он называл ее сам «Первый Человек».

Рисунок 3‑5

«Человек Боинга»

В 1970 году Феттер создал одну из первых телереклам, использующих компьютерную графику.

В 1972 году свет увидела, хотя и не первая, но одна из самых известных ранних компьютерных игр «Spacewar». Работала она на компьютере PGP-1 и обладала симпатичной компьютерной графикой, довольно продвинутой физикой и даже возможностью игры в режиме нескольких игроков. Игра настолько популярна, что и сейчас можно найти, как адаптацию оригинала для современных компьютеров, так и многочисленные ее ремейки.

В 1963 Айвон Сазерленд создал одну из самых значимых программ в истории не только компьютерной графики, но и компьютерных технологий в целом, Sketchpad. Ее считают предшественником современных сad-систем, некоторые из которых возможно у вас на слуху. К примеру «Autocad» и его российский аналог «Компас». Эта программа являлась первой в которой  был графический пользовательский интерфейс, огромное количество возможностей для рисования или редактирования изображений, а для управления ею использовалось световое перо, предшественник стилуса, который мы используем для управления некоторыми сенсорными экранами.

Аналогичным по принципу действия прибором является световая пушка платформы NES, с помощью которой можно отстреливать уточек в игре «Duck Hunt»

Рисунок 3‑6

Световая пушка платформы NES

В этом же году Эдвард Зейджиг, работавший тогда в лаборатории компании «Bell» создал то, что можно назвать первым образцом компьютерной анимации. Как ни странно Зейджиг такую цель не преследовал, а всего лишь хотел показать теоретическую модель спутника, внутри которого находилось два гераскопа и все это симулировало движение с изменением положения продольных, поперечных и вертикальных осей. Алгоритм расчета был введен с помощью перфокарт и перенесен на пленку и, если все же отойти от технической стороны, то мы можем увидеть псевдообъемную сферу и параллелепипед.

 

Рисунок 3‑7

Кадры из анимации Эдварда Зейджига

В это же время в «Bell Labs» Кеннетом Ноутоном велась разработка языка программирования под названием «Мификс». С помощью языка, созданного специально для упрощения создания анимации Ноутон и другие художники создавали экспериментальные фильмы. Разрешение таких работ составляла 252х184 пикселя. Цвета были ограничены восьмью оттенками серого, а для создания минуты анимации затрачивалось всего 500 долларов.

В 1965 году сотрудник все той же «Bell Labs» Майкл Ноут создал трехмерную анимацию тессеракта, т.е. четырехмерного куба, который в свою очередь проецировалась на двумерную плоскость экрана.

Рисунок 3‑8

Кадры из анимации тессеракта

Чтобы, хоть как-то, сделать эту анимацию нагляднее, ее можно было бы рассмотреть в объеме, сведя глаза «в кучу» благодаря стереоскопическому изображению.

Стоит отметить, что о большом количестве разработок «Bell Labs» было нельзя умалчивать, и в 1968 году вышел фильм «Невероятная машина», основной идеей которого было то, что искусство компьютерной графики только зарождается, но уже стимулирует мыслительный процесс в передовых областях, где исследования, вероятно, станут комплексными и громоздкими. Оно предлагает не только средства для ускорения открытий, но и идеальный способ понимания того, что мы можем открыть.

В 1967 году Чарльз Цури и Джеймс Шаферс создают анимацию, названную «Колибри». Сама анимация очень проста – компьютер рисует колибри, которая затер распадается на линии. Несмотря на внешнюю простоту стоит заметить, что в данном фильме целых 14 000 кадров.

Рисунок 3‑9

Кадр из анимация «Колибри»

Рисунок 3‑10

Кадр из анимация «Колибри»

Не собиралась и отставать от прогресса и советская россия. В 1968 году первой публике была представлена анимационная картина с названием «Кошечка». Команда физиков и математиков во главе с Николаем Константиновым создала математическую модель кошки, которая с помощью компьютера была распечатана на бумагу и переведена на пленку.

Рисунок 3‑11

Кадры из анимации «Кошечка»

В 1971 году свет увидела анимация, почему-то названная «Метадата», которая приобрела цвет и стала напоминать неоновые вывески. Одной из ее особенностей является то, что она стала первым проектом, который использовал анимацию по ключевым кадрам. Метод, который можно встретить и в наше время, например, в флэш-анимации.

Рисунок 3‑12

Кадры из анимации «Метадата»

Не заставила себя ждать и другая значимая короткометражка - «Компьютерная анимированная рука», вышедшая в 1972 году. Ее главной особенностью стала полноценное 3D, которое уже в то время обгоняло некоторые современные игры количеством полигонов.

Рисунок 3‑13

«Компьютерная анимированная рука»

Стоит также отметить, что одним из ее авторов был широко известный в узких кругах Эдвин Катмулл – один из отцов-основателей всеми известной и любимой студии «Pixar». Все же заслуги этого человека перечислить довольно сложно, но одно из самых понятных и масштабных можно назвать «текстурки». Именно ему можно жаловаться, что стена в игре слишком низкого разрешения и просто состоит из однородного цвета.

Рисунок 3‑14

Текстуры

 И вот появляется компьютерная графика, которая была предназначена для широких масс, т. е. к фильмам. В 1973 году на экранах появился фильм «Мир Дикого Запада». Небольшой фрагмент в этом фильме представляет собой вид от лица робота.

Рисунок 3‑15

Вид от лица робота

В сиквеле, названном «Futureworld» и вышедшем в 1976 году мы можем увидеть первую 3D анимацию, которая была позаимствована у Катмулла и университета штата Юта.

Рисунок 3‑16

Первая 3D анимация

Кстати в том же университете появился один из примечательных артефактов 3D графики – «Чайник Юты», был создан в 1975 году исследователем компьютерной графики Мартином Ньювелом и стал стандартным объектом для демонстрации возможностей рендеринга. Что позволяет, по сей день найти моделей для пакетов 3D моделирования. Так же отсылки к нему можно найти, как и в мультфильмах студии «Pixar» и даже «Симпсонах», так и в играх, например, «Serius Sam».

Рисунок 3‑17

«Чайник Юты»

Далее можно составить список фильмов:

Star Trek II: The Wrath of  Khan (1985) – Первое использование фракталов для создания ландшафта

Tron (1982) – Первое длительное использование компьютерной графики (15 мин.)

Young Sherlock Holmes (1985) – Первый «фотореалистичный» персонаж

Стоит отметить, что первым полнометражным 3D фильмом является «История Игрушек» 1995 года студии Pixar.

4.     Глава 3

3D графика в компьютерной индустрии

Перейдем от фильмов к тому, с чего начали – к играм. Как мы уже выяснили «Doom» не является полноценной 3D игрой, что не удивительно, ведь для отрисовки объемных изображений в реальном времени тогда банально не хватало вычислительных мощностей. Но и первой 2,5D он тоже не является. Считается, что первой псевдо-3D игрой был аркадный автомат, появившийся в Японии в 1975 году. К сожалению насколько объемна графика, оценить не удастся т.к. нет даже фотографий игрового процесса. В 1976 году культовая компания Atari выпустила игру «Night Driver», главный герой которой молчаливо рассекает улицы ночного города, представленные маленькими белыми столбиками. Игра, благодаря векторной компьютерной графики, выглядела весьма недурно.

Рисунок 4‑1

«Night Driver»

Но, по-настоящему, первой качественной реализацией 2,5D графики можно назвать игру «Battlezone», созданную в 1980 году. Это аркадный автомат, который мастерски создает иллюзию объема при помощи проволочного стиля и векторной графики. Более того, благодаря специальным очкам, в которые смотрел пользователь автомата, игру назвали виртуальной реальностью.

Рисунок 4‑2

«Battlezone»

Так же стоит отметить игру «Subroc 3D» компании SEGA, хитрые разработчики которой, сделали поддержу телескопических очков. Еще одним шагом по направлению к 3D графике можно назвать игру «Zaxxon», разработчики которой использовали изометрию, как эффект объема.

Рисунок 4‑3

Использование изометрии в игре «Zaxxon»

 Есть еще много трюков, благодаря которым можно создать иллюзию объема, к примеру, «parallax scrolling». Это специальная техника, когда фоновое изображение в перспективе двигается медленнее, чем элементы переднего плана. Достигается такой эффект трехмерного пространства с помощью нескольких слоев, которые накладываются друг на друга и при прокручивании движутся с различной скоростью. С помощью такой технологии можно создать искусственный трехмерный эффект.

Рисунок 4‑4

Эффект «parallax scrolling»

Есть и более грандиозные трюки. Например, в 1991 году одна малоизвестная компания под названием «id software» выпускает игру «Hovertank 3D», а потом «Catacomb 3D» и только в 1992 году выпускает игру «Wolfenstein 3D», которую часто называют первой 3D игрой.

Рисунок 4‑5

«Wolfenstein 3D»

Однако это не так, все игры того времени нельзя назвать 3D играми. Объяснить это, без углубления в технические детали, сложно, но при этом можно провести несколько мысленных экспериментов, которые помогут частично развеять сомнения. К примеру, ни у одной из этих игр нет двухэтажной  локации (что в прочем не помешало разработчикам создавшим игру «Duke Nukem 3D», создать иллюзию многоэтажности, при этом не выходя за рамки 2,5D). Так же было замечено, что переключатели в игре «Doom» активируются даже когда находятся на высоте, на которой игрок не мог бы физически достать, включая возможности их нажать даже тогда, когда они находятся под полом. Так, где же заканчивается обман и начинается настоящая 3D графика? Одной из первых игр стала «Kings Field», которая является рпг от первого лица. Разработали ее FROMSOFTWARE. А первым настоящим 3D шутером стал в 1995 году «Star Wars: Dark Forces», который позволил игроку смотреть вверх и вниз и перемещаться по этажам. Еще одним скачком в 3D индустрии было создание одного из самых влиятельных 3D движков «Quake Engine». В нем было представлено объемное освещение и улучшенная геометрия. В 1998 году выходит движок «Unreal Engine», который используется в большем количестве коммерческих компьютерных игр. После этого момента все стало развиваться настолько плавно и стремительно, что трудно выделить что-то особенное для некоторого количества времени.

Одним из «подскоков» на дороге 3D графики стал «Cry Engine», который использовался в игре «Far Cry» и обладала, на момент выхода, просто феноменальной графикой.

Чтобы узнать, куда движется компьютерная графика в наше время, и каково ее будущее, стоит ознакомиться с конференцией «SIGGRAPH». Special Interest Group on Graphics and Interactive Techniques англ. Специальная группа по графическим и интерактивным методам). Ежегодная конференция по вопросам компьютерной графики, созываемая организацией ACM SIGGRAPH. Впервые конференция прошла в 1974 году. SIGGRAPH привлекает десятки тысяч компьютерных профессионалов.

Рисунок 4‑6

Получение объемного изображения из единственного изображения

В программу SIGGRAPH входят:

Исследования: конкурс ACM студент.

Художественная галерея: представляет цифровые и технологически опосредованных работ.

Искусство документа: есть художники и произведения искусства, и процессы и теоретические основы для создания искусства и контекстуализации своего места в обществе.

Рыбак рыбака: Неофициальные презентации, дискуссии, и показательные выступления.

Фестиваль компьютерной анимации: ежегодный фестиваль для самых инновационных, совершенных, и удивительных в мире цифровых фильмов и видео-создателей.

Курсы: участники учатся у экспертов области и получают особые знания, что имеет решающее значение для продвижения по службе.

Новые технологии: представляет инновационные технологии и приложения в различных областях, от дисплеев и устройств ввода в среде совместной работы и робототехники и технологий, которые применяются к кино и производстве игр.

Выставка: представление новейших аппаратных систем, программных средств и презентация творческих услуг сотен компаний.

Международные ресурсы: с акцентом на состоянии компьютерной графики в различных регионах мира, предлагаются двуязычные экскурсии по программам конференций, услуги неофициальных переводов, и место для встреч, переговоров и демонстраций.

Ярмарка вакансий: место присутствия на конференции работодателей для встречи с тысячами лиц, ищущих работу.

Основные докладчики: Истории из самых влиятельных практиков в области компьютерной графики, интерактивные методы и смежные области.

Панели: модерируются дискуссии по важным темам с экспертными, выбранными организаторами, чтобы обеспечить широкий спектр точек зрения.

Плакаты: представляя студента в прогрессе и в конце изнурительной работы.

В режиме реального времени в прямом эфире!: витрина последних тенденций и методов расширения границ возможностей интерактивных визуальных эффектов.

Песочница: предоставляет возможность получить в реальном времени практическое представление о последних, наиболее инновационных проектах, произведенных за последние 12 месяцев

Одними из основных моментов конференции SIGGRAPH являются ее Анимационный Театр и Театр электронной презентации, где в последнее годы воспроизводятся созданные CG-фильмы. SIGGRAPH имеет несколько наградных программ признания выдающихся вкладов в области компьютерной графики.

5.     Заключение

6.     БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

·       http://www.animapedia.ru/index.php/SIGGRAPH

·       http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/609156

·               ru.wikipedia.org/wiki/