Podręcznik Grafika komputerowa i wizualizacja

Pierwsze próby użycia grafiki komputerowej miały charakter militarny ze względu na bardzo wysokie koszty sprzętu. W latach pięćdziesiątych XX wieku powstały pierwsze monitory graficzne. Od tego momentu w laboratoriach wojskowych rozpoczęto badania.

Bracia John i James Whitney pod koniec lat pięćdziesiątych wygenerowali obrazy abstrakcyjne wykorzystując ekran komputera (w ramach eksperymentu „visual feedback loops”).

 

Ivan Sutherland był w latach sześćdziesiątych XX  wieku doktorantem MIT. W 1962 roku skonstruował pierwszą stację graficzną – kompletny system składający się monitora, klawiatury, urządzenia wskazującego (pióra świetlnego) i oprogramowania obsługi interaktywnej. Co prawda zaproponowana przez niego nazwa (sketchpad) nie przyjęła się, ale do dzisiaj praktycznie wszystkie stacje graficzne są budowane według jego pomysłu. Również użytkownicy komputerów osobistych maję, na co dzień, do czynienia z tym samym schematem interfejsu.

Parę lat później w 1969 roku I. Sutherland razem z Davidem Evansem założyli pierwszą firmę zajmującą się zastosowaniami grafiki komputerowej. Firma produkowała stacje graficzne oraz wyposażenie i oprogramowanie dla systemów symulacji (w szczególności dla symulatorów lotu).

 

W latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych ubiegłego stulecia na Uniwersytecie w Utah pracował pierwszy zespół naukowy zajmujący się grafiką komputerową. Powstało tam wiele podstawowych algorytmów stosowanych do dzisiaj. Pracowali tam między innymi: Ivan Sutherland, James Blinn, Edwin Catmull i wiele innych osób, których nazwiska są kojarzone jednoznacznie z określonymi algorytmami, i które to nazwiska są wymieniane w każdym podręczniku do grafiki komputerowej..

 W 1969 roku  powstała grupa SIGGRAPH. ( Special Interest Group on GRAPHics ) w ramach organizacji ACM. Była pierwszą grupą tematyczną poświęconą grafice komputerowej w ramach organizacji skupiającej profesjonalistów związanych z informatyką (ACM – Association for Computing Machinery). Obecna pełna nazwa grupy: Special Interest Group on Graphics and Interactive Techniques.

 Pierwsze laboratorium graficzne założył Edwin Catmull w 1974 roku w New York Institute of Technology. Razem z Edem Emshwillerem pracowali nad zastosowaniami grafiki komputerowej w kinematografii. Laboratorium rozwijało metody animacji komputerowej.

 

W 1980 roku Turner Whitted opublikował artykuł opisujący metodę tworzenia obrazów, o których po raz pierwszy można było powiedzieć, że są „realistyczne”. Tak powstała metoda śledzenia promieni (ang. ray tracing). Za okres powstania metody śledzenia uznaje się początek lat osiemdziesiątych chociaż pierwsze uwagi na ten temat można odnaleźć w pracach wcześniejszych.

Badania prowadzone przez B.Mandelbrota i rozwój technik fraktalnych, a później zastosowanie ich do grafiki komputerowej pozwoliło zmienić podejście do modelowania powierzchni naturalnych (np. krajobrazu górskiego czy chmur).

 W 1984 roku ukazała się praca C.Gorala, K.Torrance’a, D.Greenberga i B.Battaile’a proponująca metodę energetyczną (ang. radiosity) jako nowe podejście do wizualizacji. Następne lata przyniosły szybki rozwój tej techniki. Ponieważ metoda energetyczna rozwiązywała skutecznie problemy, z jakimi borykali się twórcy metody śledzenia promieni, więc niektórzy oczekiwali rychłego końca ray tracingu. Tak się oczywiście nie stało i już w latach 90 powstały próby łączenia obu technik.

 Mapowanie fotonowe (ang. photon mapping) jest najnowszym etapem rozwoju metody śledzenia promieni. Opisane w książce H.Jensena z 2001 roku, chociaż tak naprawdę pierwsze próby stosowania tej techniki znalazły odbicie w artykułach w połowie lat 90.

 

W roku 1982 powstał Tron. Był to pierwszy film, w którym zastosowano grafikę komputerową. Co prawda dzisiejsi odbiorcy nie potrafią już tego docenić, ale w 1982 roku film ten wzbudził sensację. Rzecz dzieje się w wirtualnym świecie we wnętrzu komputera gdzie trafili bohaterowie – programiści. Scenografia, kostiumy – tak naprawdę wszystko oprócz twarzy i dłoni (!) zostało wykreowane przy pomocy komputera. Dziennikarze przewidywali, że następnym (i to w niedługim czasie) krokiem będzie zastąpienie aktorów przez postacie wykreowane przez komputer. Na szczęście te prognozy się nie sprawdziły i nadal możemy podziwiać grę (rzeczywistych) aktorów. Jednak od tego czasu grafika komputerowa stała się jednym z podstawowych narzędzi wykorzystywanych w kinematografii.

Efekty specjalne (pierwsze komputerowe) w filmie Star Trek tworzył dział animacji  firmy Lucasfilm. Z działu tego powstała później firma Pixar, znana z wielu znakomitych filmów animowanych – tworzonych oczywiście z wykorzystaniem technik komputerowych. Toy Story – wyprodukowany przez wytwórnię Pixar w 1995 roku – był pierwszym filmem zrealizowanym w całości za pomocą grafiki komputerowej. Akcja filmu rozgrywa się w świecie zabawek, co pozwoliło zaakceptować pewną umowność szczegółów. Dzisiaj zdecydowaną większość efektów specjalnych na potrzeby kinematografii uzyskuje się dzięki grafice komputerowej. Często o wiele łatwiej wykreować wymyślną scenografię, nie tylko w filmach science fiction z wykorzystaniem komputerów niż budować ją w rzeczywistości. Oglądając piękne filmowe krajobrazy czy zachody słońca często nie zdajemy sobie sprawy, że jest to wytwór wyobraźni reżysera i scenografa, a „zbudowany” przez zespół programistów z wykorzystaniem grafiki komputerowej.

 XXI wiek przyniósł bardzo szybki rozwój sprzętu, a tym samym widoczny wzrost mocy obliczeniowej komputerów. Współczesne smartfony dysponują pamięcią i mocą obliczeniową procesorów porównywalną do specjalizowanych stacji graficznych z lat osiemdziesiątych ubiegłego wieku. Natomiast współczesne komputery wykorzystywane przez programistów wytwórni filmowych pozwoliły w pełni wykorzystać wiele algorytmów graficznych, które przedtem miały czasem wartość akademicką i publikacyjną. Ale fakt, że te algorytmy powstały (i co najważniejsze, są dalej rozwijane) w połączeniu z współczesnym sprzętem, pozwolił uzyskać takie efekty specjalne jakie oglądaliśmy np. w filmach Avatar (2009), czy Diuna (2021 – część pierwsza, 2024 – część druga). Współczesna grafika komputerowa pozwoliła spełnić marzenia pierwszych twórców kinematograficznych efektów specjalnych – na ekranie zobaczyliśmy aktorów, którzy niestety już nie mogli wystąpić. W filmie Blade Runner 2049 (2017) „zagrała” Sean Young, chociaż postać grana przez nią w 1982 roku nie zestarzała się mimo upływu 35 lat i aktorka nie byłaby w stanie zagrać postaci mimo najlepszych prób charakteryzacji. W reklamie czekolady Galaxy (2013) „wystąpiła” Audrey Hepburn. Przypomnijmy, że wielka aktorka odeszła w 1993 roku.

Na świecie organizowanych jest rocznie kilkaset konferencji poświęconych grafice komputerowej. Równie duża jest liczba czasopism drukujących artykuły z tej dziedziny. Dwie najpoważniejsze konferencje organizowane są przez wspomniane towarzystwo SIGGRAPH (konferencje od 1974 roku) oraz przez EUROGRAPHICS – towarzystwo europejskie (konferencje od 1980 roku). Warto zajrzeć na stronę SIGGRAPH (www.siggraph.org). Można tam znaleźć nie tylko wiele dobrych przykładów grafiki komputerowej, ale przede wszystkim bardzo bogatą bibliografię z tej dziedziny.

 Computer Graphics to najstarsze czasopismo graficzne, jest wydawane przez ACM od 1967 roku. Drukowało także sprawozdania z konferencji SIGGRAPH. Do 2001 roku jeden numer czasopisma zawierał wszystkie referaty konferencyjne. Od 2002 roku referatów i sprawozdań z konferencji SIGGRAPH należy szukać w, wydawanym od 1982 roku, ACM Transaction on Graphics. Jest to nie tylko najlepsze czasopismo dotyczące grafiki komputerowej, ale także jedno z najlepszych czasopism informatycznych na świecie. Spośród wielu czasopism poświęconych grafice komputerowej należy przynajmniej wymienić dwa: IEEE Computer Graphics & Applications wydawane od 1980 oraz Machine Graphics & Vision wydawane w Polsce przez Instytut Podstaw Informatyki PAN.

 

Grafika komputerowa jako przedmiot akademicki pojawiła się w końcu lat 70 XX wieku. Na początku lat 80 wykłady z grafiki komputerowej na Uniwersytecie Warszawskim prowadził dr M. Jankowski, a na Politechnice Warszawskiej mgr G. Prochowski (od połowy lat 80 wykład prowadził prof. J. Zabrodzki). Były to, najprawdopodobniej, pierwsze wykłady tego typu w Polsce.