grafika komputerowa

grafika komputerowa,

dział informatyki zajmujący się tworzeniem obrazów obiektów rzeczywistych i wyimaginowanych.

Pierwsze prace z grafiki komputerowej wykonano 1950 w USA, wyświetlając kreskowe wykresy danych na ekranie grafoskopu dołączonego do komputera Whirlwind; przez 2 następne dziesięciolecia grafika komputerowa była rozwijana w nielicznych ośrodkach (wysoki koszt urządzeń); grafoskopy i kreślące na papierze plotery pracowały w trybie wektorowym, tzn. łączyły odcinkami lub łukami zadane punkty. W latach 80. dzięki gwałtownemu rozwojowi elektroniki grafika komputerowa stała się szeroko dostępna (m.in. dla użytkowników komputerów osobistych) i znalazła liczne zastosowania. Dominującym typem urządzeń graficznych są obecnie monitory wyposażone w kineskop lub płaski wyświetlacz ciekłokrystaliczny; monitory te wyświetlają obraz rastrowy, składający się z bardzo wielu barwnych kropek, tzw. pikseli; oprócz obrazów płaskich jest możliwe przedstawienie obrazów trójwymiarowych za pomocą 2 monitorów lub specjalnych okularów (stereoskopia); do tworzenia trwałych kopii obrazów służą m.in. magnetowidy, nagrywarki CD i DVD, barwne drukarki atramentowe i laserowe. Praca z programami graficznymi ma często charakter interakcyjny — urządzenia takie jak klawiatura, mysz, ekran dotykowy i różne manipulatory pozwalają użytkownikowi wprost przy komputerze konstruować obiekty, określać ich położenie, ustalać barwy i oświetlenie oraz ruch; obecnie nawet niezbyt drogie komputery są wyposażone w karty graficzne realizujące sprzętowo wiele operacji; przyspiesza to znacznie ich wykonanie i umożliwia płynną animację nawet złożonych scen.

Grafika komputerowa obejmuje: podstawowe algorytmy rysowania (tzw. rasteryzacji) odcinków i krzywych oraz wypełniania obszarów, metody definiowania i reprezentowania obiektów, a także ich transformacji, metody modelowania oświetlenia i barw, algorytmy rozstrzygania zasłaniania, metody nadawania obiektom wyglądu naturalnego i animację. Zagadnienia rasteryzacji obejmują m.in. antyaliasing, czyli tworzenie obrazów, na których struktura rastra jest możliwie mało widoczna. Do sposobów definiowania obiektów należą: konstruowanie brył wielościennych, modelowanie krzywych i powierzchni (w postaci niejawnej i parametrycznej: Béziera, sklejanych, w tym NURBS, i Coonsa), konstrukcyjna geometria brył, metody fraktalne (fraktal) określania obiektów naturalnych (teren, chmury), gramatyki (systemy) Lindenmayera (stosowane do modelowania roślin) oraz metody reprezentacji objętościowej. Transformacje opisują przekształcenia geometryczne (obroty, przesunięcia, rzutowania na płaszczyznę, potrzebne do rysowania przedmiotów trójwymiarowych), odkształcenia obiektów pod wpływem działających sił oraz ruch. Modelowanie oświetlenia i koloru uzyskuje się przez uwzględnianie rodzaju źródeł światła, ich położenia, intensywności i barwy emitowanego światła oraz własności optycznych i materiałowych wizualizowanych przedmiotów (charakterystyk odbicia rozproszonego i zwierciadlanego, stopnia przezroczystości, barwy). Algorytmy rozstrzygania zasłaniania wyznaczają widoczne fragmenty obiektów, rzucane przez nie cienie, a bardziej skomplikowane metody (śledzenia promieni i bilansu energetycznego) pozwalają uzyskiwać realistyczne obrazy o jakości zbliżonej do fotografii. Naturalny wygląd obiektów uzyskuje się przez nakładanie tekstury, która może opisywać dowolne właściwości powierzchni wpływające na jej wygląd, m.in. nierówności, barwę (np. obraz namalowany na ścianie), przezroczystość, a także nierównomierne oświetlenie. Położenia i kształty obiektów w animacji komputerowej mogą być określane poprzez: interpolację położeń i kształtów zadanych przez animatora w wybranych chwilach, podanie opisu ruchu w postaci funkcji czasu lub symulację modelu fizycznego (często polega to na rozwiązywaniu odpowiedniego układu równań różniczkowych); takim modelem, często stosowanym w animacji dymu, płomieni, tkanin itp., jest tzw. układ cząsteczek (ang. particle system).

Działami informatyki zbliżonymi do grafiki komputerowej są: przetwarzanie obrazów, które obejmuje pozyskiwanie obrazów w postaci rastrowej, kompresję, czyli tworzenie reprezentacji zajmującej minimalną ilość miejsca, przesyłanie oraz dostosowywanie obrazu do możliwości odwzorowania barw przez urządzenie dokonujące reprodukcji (np. drukowania), a także rozpoznawanie obrazów, które ma na celu identyfikację obiektów na obrazie rastrowym, takich jak linie, obszary, teksty, czyli otrzymanie tzw. wektorowej reprezentacji obrazu, na jej podstawie można uzyskać obrazy rastrowe o dowolnej rozdzielczości, lub rekonstrukcję obiektów trójwymiarowych na podstawie zdjęć (rozpoznawanie obiektów).

Do najważniejszych zastosowań grafiki komputerowej należą: graficzne systemy konwersacyjne z użytkownikiem komputera, wspomagane komputerowo projektowanie architektoniczne oraz projektowanie form i wyrobów przemysłowych, kreślenie wykresów i rysunków technicznych (ang. Computer Aided Design, CAD), wspomaganie procesów technologicznych (ang. Computer Aided Manufacturing, CAM), kartografia, systemy informacji przestrzennej (GIS), komputerowy skład drukarski (ang. desktop publishing, DTP), symulacja i animacja zjawisk fizycznych, chemicznych i biologicznych, wizualizacja danych medycznych, systemy wirtualnej rzeczywistości (m.in. symulatory lotów, systemy szkolenia kierowców, a także lekarzy, np. chirurgów), edukacja (m.in. podręczniki multimedialne), sztuka, film (też animowany), telewizja i gry komputerowe.

Przemysław Kiciak