Podręcznik Grafika komputerowa i wizualizacja

Z grafiką komputerową spotykamy się dzisiaj prawie na każdym kroku. I najczęściej nie zdajemy sobie z tego sprawy, a przecież coraz większa grupa urządzeń elektronicznych, z których korzystamy jest obsługiwana za pośrednictwem interfejsu graficznego. Być może łatwiej byłoby dzisiaj pokazać dziedzinę, która nie korzysta z grafiki komputerowej. Zaprezentowana lista zastosowań jest pewną próbą klasyfikacji. Próbą, gdyż trzeba mieć świadomość przenikania dziedzin, ich wzajemnych powiązań i ciągłego rozwoju.

• Graficzny interfejs użytkownika (GUI)
• Zastosowania prezentacyjne, wizualizacja informacji. Zastosowania biurowe
• Wspomaganie prac inżynierskich (CAD/CAM)
• Symulacja i wirtualna rzeczywistość
• Poligrafia i skład drukarski (systemy DTP)
• Kartografia i systemy informacji przestrzennej (GIS)
• Medycyna
• Przemysł rozrywkowy

Dzisiaj, graficzna komunikacja z komputerem (GUI – Graphical User Interface) praktycznie wyparł interfejs tekstowy nie tylko w sprzęcie powszechnego użytku, ale także  w sprzęcie specjalistycznym. Jest to pierwsze, najpowszechniejsze zastosowanie grafiki, znane chyba każdemu użytkownikowi komputerów (rys. 1.2). Okienkowy system interfejsu stał się na tyle powszechny, że dla przeciętnego użytkownika komputer bez okienek byłby bezużytecznym przedmiotem. Nawet administratorzy systemowi coraz częściej dostają do dyspozycji narzędzia okienkowe i nie wszystkie operacje muszą wykonywać z linii poleceń.

Rys.1.2. Okienka Linuksa.

Prace nad graficznym interfejsem zostały zapoczątkowane w połowie lat 60 w firmie Xerox Parc. Na rozwój interfejsu graficznego miała bardzo silny wpływ praca Ivana Sutherlanda w MIT i jego sketchpad – pierwsza stacja graficzna skonstruowana w 1962 roku.

 W 1964 roku na Uniwersytecie Stanforda użyto po raz pierwszy urządzenia wskazującego, które później nazwano myszą. Był to nieporęczny klocek drewniany z przyciskiem. (rys. 1.3.a).

Rys.1.3. a) Pierwsza mysz komputerowa. b) Komputer Alto Xerox Parc.

W 1973 roku firma Xerox Parc zbudowała pierwszy komputer z graficznym interfejsem : Alto Xerox Parc (rys.1.3.b).  Komputer był wyposażony w graficzny wyświetlacz, mysz z 3 przyciskami, był podłączony do sieci Ethernet. Graficzny interfejs obejmował niezależne pola wyboru („okienka”), menu, przyciski wyboru różnego typu oraz ikony w postaci odpowiednich symboli.

Warto pamiętać, że pierwsze okienka o funkcjonalności zbliżonej do dzisiejszych wcale nie zostały zaprojektowane przez firmę Microsoft.

W 1983 roku powstał komputer Lisa firmy Apple z funkcjonalnym zestawem okien o różnych przeznaczeniach (rys.1.4). System ten był krokiem milowym w rozwoju komunikacji człowieka z komputerem i jest uznawany za pierwszy interfejs okienkowy.

Rys.1.4. Okienka graficzne komputera Lisa z 1983 roku.

W roku 1984 pojawiły się, między innymi:

• Komputer Macintosh firmy Apple z w pełni skalowalnymi i nakładającymi się na siebie oknami graficznymi.
• System okienkowy X Window System opracowany w MIT, początkowo działający na maszynach VAX, później rozpowszechniony jako całkowicie przenośny system okien dla różnych platform sprzętowych.

 Dopiero w 1985 roku firma Microsoft zaproponowała swoje pierwsze Windowsy, których okna graficzne nie mogły się nakładać, ani zajmować dowolnego położenia.

 Warto także wspomnieć o interfejsach Open Look i OSF/Motif będącymi warstwą obsługi X Windows, gdyż zdobyły one ważną pozycję w systemach UNIXowych.

Dzisiaj spośród różnych dostępnych systemów okien graficznych warto wymienić między innymi KDE, GNOM, Mac OS oraz systemy 3D takie jak np. Compiz, BumpTop.

Strona   http://www.guidebookgallery.org/  ; jest poświęcona interfejsowi. Można tam między innymi zobaczyć jak wyglądały ekrany interfejsu różnych systemów.

Równolegle z interfejsem rozwijała się wizualizacja danych ułatwiająca interpretację danych liczbowych czy różnego typu zjawisk. Wyspecjalizowane programy matematyczne i edukacyjne pozwalają obecnie rysować dowolne wykresy, krzywe czy powierzchnie. Ta grupa zastosowań obejmuje prezentację danych w postaci różnego typu wykresów i innych obrazów ułatwiających przekazanie określonych informacji.

Z jednej strony są to wykresy przedstawiające wielkości fizyczne, matematyczne, ekonomiczne lub techniczne, których prezentacja graficzna ułatwia zrozumienie zjawiska, przekazanie informacji lub podjęcie decyzji.

Z drugiej strony są to obrazy zależności i powiązań między określonymi treściami. Wykorzystanie graficznych symboli służy wspomaganiu prezentacji we wszystkich, praktycznie, dziedzinach (rys. 1.5). Ułatwia to przekazanie i zrozumienie określonych treści. Podobne formy prezentacji można dzisiaj spotkać np. na szkoleniu dla pracowników firm ubezpieczeniowych, jak i na seminarium poświęconym problemom ekologii. W wielu programach symbole zostały bardzo rozbudowane. Znacznie ułatwia to tworzenie prezentacji. Czasem jednak patrząc na przykład na liczbę symboli różnych strzałek dostępnych w programach prezentacyjnych można się zastanawiać czy na pewno forma służy prezentacji treści informacji a nie odwrotnie.

Rys.1.5. Wykres słupkowy prezentujący zbiór danych.
b) Przykłady zestawu symboli obiektów i powiązań między nimi.

Jest to dziedzina, która ułatwia pracę inżynierom różnych specjalności. Wykorzystanie grafiki w projektowaniu pozwala zajrzeć do wnętrza projektowanych urządzeń i narysować ich dowolne przekroje (rys.1.6). Pierwsze dostępne programy wspomagające pracę architektów i urbanistów pochodzą z lat 70. XX wieku. Z dzisiejszej perspektywy miały prymitywny interfejs, ale pozwalały „zobaczyć” jak będzie wyglądał projektowany budynek – a wygląd jest w tym przypadku bardzo ważny.

Rys.1.6. Projekt rozrusznika. Rysunek opracowany przez M.Świderskiego
w Zakładzie Maszyn Elektrycznych Politechniki Warszawskiej.

Wyróżnia się kilka systemów wspomagających:

• Projektowanie wspomagane komputerowo                             (Computer Aided Design  -  CAD)
• Komputerowe wspomaganie kreślenia i projektowania      (Computer Aided Drafting and Design  -  CADD)
• Komputerowe wspomaganie procesu wytwarzania              (Computer Aided Manufacturing  -  CAM)
• Komputerowo zintegrowana produkcja                                      (Computer Integrates Manufacturing  -  CIM)
• Komputerowe wspomaganie działalności inżynierskiej       (Computer Aided Engineering  -  CAE)

Komputer ”uczestniczy” w produkcji przedmiotu na każdym etapie jego powstawania. Poczynając od pomysłu (wizji projektanta), poprzez modelowanie kształtu, wybór odpowiedniej technologii wytwarzania, opracowanie dokumentacji i uwzględnienie właściwości materiałowych, aż do sterowania obrabiarką numeryczną. Najistotniejsze jest to, że wszystkie etapy są ze sobą ściśle  powiązane. Wprowadzenie poprawek i uzupełnień nie stanowi żadnego problemu. Pozwala to znacznie uprościć proces zarówno projektowy jak i wytwarzania. Stosowana jest również tzw. inżynieria odwrotna. Na podstawie istniejącego, rzeczywistego obiektu jest opracowywana pełna dokumentacja projektowa i technologiczna, która może posłużyć do dalszej obróbki. Na przykład zrobienia wiernej kopii.

Grafika komputerowa stała się nieocenionym narzędziem w pracowniach urbanistów i architektów. Także architektów krajobrazu i projektantów wnętrz. Dzisiaj projektując np. kuchnię swojego mieszkania można skorzystać z prostego oprogramowania, które pozwoli „zobaczyć” jak będzie ona wyglądała. Współczesne programy tego typu mają ogromne możliwości i dają obrazy, które można porównać do zdjęć (rys.1.7, rys.1.8).

Rys.1.7. Budynek Metropolitan, pl.Piłsudskiego w Warszawie. Wizualizacja projektu zanim rozpoczęto
prace budowlane. Rendering zamieszczony dzięki uprzejmości firmy HINES.

Rys.1.8. Budynek Metropolitan, pl.Piłsudskiego w Warszawie.  Zdjęcia rzeczywistego obiektu.

Specyficznym zastosowaniem, które pojawiło się w ostatnich latach, łączącym architekturę i sztukę z techniką świetlną jest wizualizacja oświetlenia budynków dla opracowania ich iluminacji (rys.1.9). Pozwala to często wydobyć nie dostrzegane kształty i podkreślić piękno obiektu. Grafika komputerowa daje możliwość sprawdzenia projektu oraz wyboru różnych wariantów oświetlenia. Co w warunkach rzeczywistych bez instalacji sprzętu byłoby praktycznie niemożliwe.

Rys.1.9. Projekty iluminacji. a) Wizualizacja iluminacji gmachu Collegium Novum UJ w Krakowie.
b) Wizualizacja iluminacji Muzeum de Waag w Holandii.
Rysunki zamieszczone dzięki uprzejmości W.Żagana.

Jest to zestaw czynności związanych z przygotowaniem publikacji zrealizowany za pomocą systemów komputerowych zamiast tradycyjnymi metodami poligraficznymi (typograficznymi). Czynności te obejmują obróbkę tekstu i obrazów, łączenie ich w zamierzoną formę publikacji, a także prace związane z dostosowaniem barw do wykorzystywanych urządzeń drukujących. Podstawowy zakres takiego działania wykonują dzisiaj edytory tekstu komputerów osobistych. Wszyscy korzystamy z udogodnień przy pisaniu tekstów, jakie daje współczesny program edytorski. Nie wyobrażamy sobie dzisiaj pracy bez takich narzędzi.

Wizualizacja i symulacja różnych zjawisk ułatwia pracę nie tylko fizykom, chemikom i biologom, dzisiaj korzystają z tego praktycznie wszystkie grupy zawodowe. Ze względów finansowych, bardzo dużą grupę zastosowań stanowią symulatory wykorzystywane w szkoleniu personelu obsługującego drogi i skomplikowany sprzęt: samoloty, statki czy dowolne pojazdy wojskowe. Grafika komputerowa pozwala stworzyć iluzję rzeczywistości, a to daje możliwość symulowania realnych warunków i problemów. Dzięki temu szkolenie jest tańsze niż w rzeczywistych warunkach. Nie ma niebezpiecznych konsekwencji potencjalnych błędów. A jednocześnie można zasymulować wszystkie, nawet bardzo rzadko występujące w rzeczywistości, przypadki..

Symulacja urządzeń jest znana od dawna. Pierwsze symulatory lotu posługiwały się techniką filmowa. Niedoskonałość takiego rozwiązania polegała przede wszystkim na braku możliwości reakcji systemu na niestandardową sytuację – problemem było pozyskiwanie materiału filmowego. Drugim etapem rozwoju (lata sześćdziesiąte) była technika wykorzystująca makietę terenu i poruszającą się nad nią kamerę. Trzeci etap to symulatory wykorzystujące grafikę komputerową (lata siedemdziesiąte XX wieku). Współczesne symulatory lotu dają pełnię wrażeń obsługi rzeczywistego samolotu.

Dzięki odpowiednio sterowanym podnośnikom hydraulicznym jest możliwość zasymulowania również zmian położenia, wstrząsów i przeciążeń. Dodając do tego inne wrażenia odczuwane przez pilota (np. hałas) oraz pełne wyposażenie kabiny można uzyskać wrażenie rzeczywistego lotu. Oczywiście kluczowym zagadnieniem jest zapewnienie wrażeń wzrokowych. Jest to bardzo trudne zadanie stojące przed grafiką komputerowa, wymaga bowiem przygotowania skomplikowanych realistycznych wizualizacji w czasie rzeczywistym.

Symulatory lotu zapewniają możliwość prowadzenia szkolenia pilotów w sposób bezpieczny i tani. I jednocześnie dają możliwość przeprowadzenia ćwiczeń dowolnie wybranych zdarzeń w dowolnych warunkach – co nie byłoby osiągalne w warunkach rzeczywistych.

Symulatory stosowane są dzisiaj wszędzie tam gdzie wymagane jest szkolenie obsługi drogiego i cennego sprzętu oraz gdzie stawiane są wysokie wymagania związane z bezpieczeństwem. Poza symulatorami lotu jest to przede wszystkim sprzęt wojskowy, ale nie tylko. Znane są np. konstrukcje symulatorów wózków widłowych.

Obok symulatorów profesjonalnych (symulatory loty, trenażery wojskowe, symulatory innych obiektów) warto wspomnieć o symulatorach opracowanych w celach rozrywkowych np. do gier komputerowych.

Zastosowania grafiki w medycynie (rys.1.11) pozwalają postawić diagnozę łatwiej, szybciej i z mniejszym ryzykiem błędu. Bez tomografii komputerowej czy rezonansu magnetycznego współczesna medycyna nie byłaby w stanie postawić często właściwej diagnozy. Ale wszystkie narzędzi diagnostyki obrazowej, także USG czy RTG w gabinecie stomatologicznym dostarczają wyników w postaci cyfrowej – w postaci obrazu na monitorze zamiast tradycyjnej kliszy fotograficznej. Tych narzędzi nie byłoby bez przetwarzania obrazów i grafiki komputerowej.

Shrek oraz inni bohaterowie filmów animowanych, reklamy, czy efekty specjalne stanowią przykłady bardzo rozległej grupy zastosowań w przemyśle rozrywkowym. Przemyśle wymagającym olbrzymich nakładów finansowych, realizującym wieloletnie projekty, wymagającym specjalistycznych laboratoriów i sprzętu. „Toy Story” z 1995 roku – pierwszy film animowany zrealizowany w całości za pomocą grafiki komputerowej,  wykorzystywał sieć 117 komputerów, a prace nad filmem trwały aż 4,5 roku. Ale efekty są czasem rzeczywiście zaskakujące. Postać Golluma we „Władcy Pierścienia” jest zrealizowana na tyle perfekcyjnie, że nie można zauważyć, w których ujęciach mamy do czynienia z aktorem, a w których z grafiką komputerową. Mimo rozwoju sprzętu komputerowego i ogromnemu wzrostowi mocy obliczeniowej nadal wykreowanie dobrych efektów zajmuje bardzo dużo czasu. W filmie Blade Runner 2049 (z 2017 roku) konieczne było odtworzenie postaci granej 35 lat wcześniej przez Sean Young. Powstała sekwencja trwająca tylko 2 minuty. Komputerowe wykreowanie postaci i przygotowanie tej sekwencji zajęło twórcom filmu cały rok ! Ale praca opłaciła się. Widzowie oglądając film nie mają wątpliwości – Sean Young „zagrała” w nim. filmu Osobną grupę zastosowań w przemyśle rozrywkowym stanowią gry komputerowe. Od czasu powstania gry „Doom” w 1993 roku – pierwszej gry typu „z perspektywy bohatera” („First Person Perspective”) – gdzie widzimy świat oczami bohatera gry, producenci prześcigają się we wprowadzaniu coraz to nowszych i doskonalszych realistycznych efektów.