Wprowadzenie do grafiki komputerowej



Zastosowania grafiki komputerowej


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


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.



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.


W 1973 roku firma Xerox Parc zbudowała pierwszy komputer z graficznym interfejsem : Alto Xerox Parc.


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 interfejsem okienkowym.


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.


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



Grafika prezentacyjna


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. 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.



CAD/CAM

Wspomaganie prac inżynierskich


Komputer ”uczestniczy” w produkcji przedmiotu na każdym etapie jego powstawania. Poczynając od pomysłu (wizji projektanta), poprzez modelowanie kształtu, utworzenie dokumentacji i przygotowanie warunków technologicznych, aż do sterowania obrabiarką numeryczną. Najistotniejsze jest to, wszystkie etapy są ze sobą 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 tworzona pełna dokumentacja projektowa i technologiczna, która może posłużyć do dalszej obróbki. Na przykład zrobienia wiernej kopii.



Poligrafia i skład komputerowy


Symulacje i wirtualna rzeszywistość


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.



Architektura


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.



Autorowi nie udało się zrobić jednego zdjęcia dającego odpowiednią perspektywę bez widocznych zniekształceń geometrycznych. Z tego powodu dwa zdjęcia pokrywają poprzednią wizualizację projektu, gdzie dzięki grafice komputerowej można było uzyskać odpowiednią perspektywę.



Iluminacja obiektów pozwala dostrzec ich piękno również w nocy, wydobywając często szczegóły niedostrzegane w ciągu dnia. Grafika komputerowa daje możliwość sprawdzenia projektu oraz wyboru różnych wariantów oświetlenia. Co w warunkach rzeczywistych bez instalacji sprzętu byłoby praktycznie niemożliwe.


Medycyna


Bez tomografii komputerowej czy rezonansu magnetycznego współczesna medycyna nie byłaby w stanie postawić często właściwej diagnozy. Ale również badania USG a ostatnio nawet RTG w gabinecie stomatologicznym dostarcza wyników w postaci obrazu na monitorze zamiast tradycyjnej kliszy fotograficznej. Tych narzędzi nie byłoby bez przetwarzania obrazów i grafiki komputerowej.


Przemysł rozrywkowy



Sprzęt dla potrzeb grafiki komputerowej



Grafika wektorowa i restrowa


Monitory wektorowe dostępne były od połowy lat sześćdziesiątych. W latach osiemdziesiątych zostały praktycznie całkowicie wyparte przez monitory rastrowe. Pisaki XY (plotery), w których naturalnym sposobem sterowania jest sterowanie wektorowe przestały być popularne. Wydawać by się więc mogło, że o trybie wektorowym będzie się w grafice komputerowej mówić tylko w aspekcie historycznym. Jednak zalety trybu wektorowego (przede wszystkim skalowalność) sprawiły, że przetrwał on i jest nadal stosowany. Występuje on w warstwie programowej i interfejsu użytkownika. Dzięki temu można zdefiniować a następnie przechować rysunek, który nie będzie tracił jakości podczas np. obracania i skalowania. Natomiast po przeliczeniu go do konkretnej rozdzielczości, będzie mógł być wyświetlony na rastrowym monitorze lub wydrukowany na rastrowej drukarce.




Grafika wektorowa



Grafika restrowa



Interakcja człowiek - komputer


Interakcja człowiek komputer (HCI – Human – Komputer Interaction) jest dyscypliną, która zajmuje się relacjami między człowiekiem a systemem informacyjnym. Jest to związane z projektowaniem, rozwojem i implementacją oprogramowania wykorzystywanego w kontakcie człowieka z maszyną. Celem badań jest opracowanie metod pozwalających na dostosowanie urządzeń i programów ich obsługi do potrzeb i możliwości człowieka, a tym samym na efektywne; optymalne wykorzystanie możliwości człowieka.



Na proces komunikacji wpływa wiele czynników. Niestety nieskorelowanych ze sobą, a często wręcz sprzecznych. Obowiązuje jedna podstawowa zasada: zasada zadaniowości interfejsu. Celem nadrzędnym jest realizacja danego zadania w sposób optymalny, co oznacza, że zasady interfejsu wyznacza potencjalny użytkownik systemu, a nie narzuca twórca systemu komputerowego ani tym bardziej projektant interfejsu.



Problem budowy optymalnego interfejsu komplikuje fakt, że na odbiór informacji (także tych w dialogu z komputerem) ma wpływ wiele czynników związanych bezpośrednio z użytkownikiem. Najczęściej dzieli się je na cechy indywidualne i społeczne.


Standardy graficzne


Potrzeba standaryzacji operacji i możliwości przenoszenia oprogramowania pojawiła się wraz z upowszechnieniem się sprzętu wykorzystywanego do grafiki w latach siedemdziesiątych. Pierwszy standard (3D Core) został opracowany przez ACM SIGGRAPH. Przez wiele lat, praktycznie do lat dziewięćdziesiątych powszechnie stosowanym standardem w rozwiązaniach przemysłowych był GKS. Wynikało to z prostej konstrukcji operacji 2D i typowego stosowania grafiki 2D we wspomaganiu prac inżynierskich. Bardziej rozbudowane możliwości zaoferował PHIGS, dając do dyspozycji hierarchiczne struktury prymitywów. Standard ten był rozszerzany o możliwości tworzenia grafiki realistycznej do postaci PHIGS+ oraz PHIGS PLUS. Dodatkową zaletą tych systemów jest efektywne wykorzystanie wspomagania sprzętowego. Obecnie wydaje się, że najpowszechniejszym standardem jest OpenGL opracowany przez Silikon Graphics (SGI)– firmę przodująca w rozwiązaniach dla potrzeb grafiki realistycznej.


Niezależnie popularność zyskał Direct3D zaproponowany przez firmę Microsoft dla potrzeb obsługi gier komputerowych. Jako DirectX jest najpowszechniej akceptowanym standardem w środowisku kart graficznych.


Warto wspomnieć także o VRML (Virtual Realisty Modelling Language) ułatwiającym korzystanie z grafiki 3D w Internecie.





Formaty graficzne można podzielić na dwie grupy:


Do pierwszej grupy (rastrowej) miedzy innymi można zaliczyć:


BMP (i DIB) – zapis w postaci mapy bitowej bezstratnej o różnej dostępnej palecie barw: 1,4,8,24 bity na piksel.


GIF – zapis z indeksacją barwy – paleta ograniczona do 256 pozycji, bezstratna kompresja LZW, możliwość zapisu kilku obrazów w pliku – GIF animowany.


PCX – format stosowany w programach Paint/Paintbrush, istnieje kilka wersji zapisu, paleta 1,4,8,24 bity na piksel.


TIFF – zapis bezstratny, paleta 1,4,8,24 bity na piksel, stosowane różne metody kompresji najczęściej LZW. Format pierwotnie przeznaczony dla poligrafii.


TGA – (Targa) mapa bitiwa z opcjonalną kompresją RLE, paleta 8,16,24,32 bity na piksel, dodatkowo TGA ma możliwość zapisania informacji o przezroczystości (tzw. kanał Alfa).


JPG (JPEG) zapis z pełną paleta barw ale stratną kompresją DCT. Zaletą jest bardzo wydajna kompresja. Najnowsza wersja JPEG 2000 o znacznie podwyższonej jakości stratnej kompresji.


PNG – unowocześniona wersja formatu GIF, wydajniejsza kompresja bezstratna, pełna paleta barw, obsługa kanału Alfa. Dodatkowa zaleta jest brak ograniczeń licencyjnych.


Do drugiej grupy (wektorowej) można między innymi zaliczyć:


WMP – zapis stosowany w MS Windows.


EPS, PS – Postscript – język opisu strony opracowany przez firmę Adobe.


HPGL – język sterowania ploterami firmy HP.


DXF – przemysłowy standard stosowany przez firmę Autodesk w swoich aplikacjach (AutoCAD).


SVG – standard opracowany w oparciu o XML na potrzeby WWW.



Literatura