Historia grafiki komputerowej

Pięć dekad — historia grafiki komputerowej

Trudno w obecnych czasach wyobrazić sobie życie bez obrazów cyfrowych i możliwości ich szybkiego przetwarzania. Każdego dnia przeglądamy strony internetowe pełne zdjęć i grafik (a zwłaszcza niechcianych, wszechobecnych i nachalnych reklam), a sięgając po papierową gazetę oglądamy stworzony przy użyciu komputera layout. Dzieci oglądają pełnometrażowe animacje o zwierzętach, robotach czy smokach, a dorośli podziwiają filmowe duchy, zombie i wampiry (oby tylko nie błyszczące w słońcu) stworzone przy użyciu programów do modelowania 3D. Zdjęcia z wakacji możemy szybko poprawić, wykadrować czy pomniejszyć zanim pochwalimy się nimi na fejsbuku, nie musimy już gromadzić ich w albumach i zanudzać nimi gości podczas niedzielnego obiadku. Artyści tworzą własne obrazy, mając do dyspozycji nieograniczoną liczbę narzędzi, możliwości nanoszenia poprawek czy paletę kolorów, w dodatku mogą tworzyć nieskończoną ilość kopii swoich dzieł i nanosić je na dowolne powierzchnie, od papierów po tkaniny i folie.

Ten stan rzeczy wydaje nam się naturalny, chociaż istnieje dopiero od niedawna. Na co dzień nie zastanawiamy się nad tym, jaką drogę musiała przejść technologia i ile hektolitrów kawy wypili informatycy, by dać nam dzisiejsze możliwości. Dziś pochylmy się więc nad pasjonującą historią komputerowych obrazów i nad ludźmi, którzy przyczynili się do stworzenia współczesnych narzędzi graficznych.

Trudne początki

Narodziny grafiki komputerowej łączą się nierozdzielnie z narodzinami pierwszych komputerów cyfrowych (tak, były kiedyś i analogowe). Rozwój technologiczny urządzeń wchodzących w skład tychże maszyn dawał coraz większy wachlarz możliwości dla użytkowników, którzy początkowo ograniczali się głównie do pracowników uczelnianych instytutów badawczych i wojska – komputery zajmowały wówczas całe pokoje i kosztowały więcej niż apartament na Manhattanie.

Trudno wskazać konkretną datę, która miałaby wyznaczać początki grafiki komputerowej. Jej idea zrodziła się w latach 50 XX wieku w umysłach inżynierów, artystów i naukowców, którzy niezależnie od siebie konstruowali nowe urządzenia mające umożliwić tworzenie obrazów w komputerze.

Rozwój komputerów cyfrowych był napędzany głównie w Stanach Zjednoczonych. W 1945 roku rozpoczęto pod kierownictwem Jaya Forrestera z MIT program Whirlwind. Był on projektem wojskowym; miał zajmować się głównie tworzeniem oprogramowania dla lotnictwa, a zwłaszcza opracowywaniem symulatorów lotów. W 1951 roku zaprezentowano pierwsze graficzne rozwiązanie problemu, jeszcze na komputerze analogowym, ale posiadającym możliwość wyświetlania tekstów i obrazów na ekranie oscyloskopowym.

W 1952 roku w ramach programu skonstruowano narzędzie zwane light pen – piórem świetlnym. Urządzenie to pozwalało na obsługę komputera poprzez wskazywanie piórem elementów na ekranie monitora typu CRT (kineskopowego).

Light Pen w akcji

W 1957 roku udało się na komputerze IBM 740–780 wygenerować ciąg punktów wyświetlanych na monitorze w taki sposób, by mogły tworzyć linie lub kształty.

Szalone lata 60-te

William Fetter, jeden z pionierów grafiki komputerowej, posiadał wykształcenie artystyczne. Po ukończeniu studiów na Uniwersytecie w Illinois w 1952 roku pracował jako projektant w różnych wydawnictwach. W 1959 roku zatrudnił się w firmie o całkowicie odmiennym profilu — w… fabryce samolotów Boeing! W oddziale w mieście Wichita zajął stanowisko kierownicze w zespole projektowym i pracował tam do 1963 roku, kiedy to przeniósł się do oddziału firmy w Seattle. To właśnie on stworzył termin, którym posługujemy się do dziś – computer graphics, czyli grafika komputerowa, na określenie prac którymi zajmował się jego zespół. Jednym z owoców pracy Fettera było stworzenie w 1964 roku pierwszego komputerowego modelu sylwetki ludzkiej, który wykorzystywany był przy projektowaniu kokpitów samolotów.

Model człowieka autorstwa Fettera

W 1961 roku powstała pierwsza animacja komputerowa o tytule „Two-Gyro Gravity-Gradient Attitude Control System”, stworzona przez Edwarda Zajaca w Bell Labs. Film ten był symulacją ruchu wybranego rodzaju satelity w przestrzeni kosmicznej. The Bell System było jednostką badawczą zajmującą się właśnie badaniami nad satelitami.

W 1962 roku Ivan Sutherland będący doktorantem w MIT zapisał się na kartach historii jako twórca rewolucyjnego programu o nazwie Sketchpad. Rok ten najczęściej wskazuje się jako narodziny grafiki komputerowej. Sketchpad pozwalał na tworzenie rysunków przy pomocy linii i figur geometrycznych, a także na ich zapisywanie i późniejsze odtwarzanie. Ten wynalazek stał się inspiracją dla późniejszych programów służących do tworzenia rysunków technicznych (programy typu CAD) oraz dla interfejsów graficznych. Ivan Sutherland za swoje odkrycie został uhonorowany w 1988 roku Nagrodą Turinga, a w 2012 roku Nagrodą Kioto.

Sketchpad

W 1965 roku w Stuttgarcie otwarto pierwszą wystawę sztuki stworzonej przy pomocy komputerów. Grafikę komputerową starano się bowiem wykorzystywać również jako nowe medium artystyczne. Twórcy którzy zainspirowali się tą nową technologią i stosowali w swoich dziełach to m.in. Charles Csuri, Ken Knowlton, John Whitley Sr., E. E. Zajac, Leon D. Harmon, A. Michael Noll, Lilian Shwartz, M. R. Schroeder i Stan Vanderbeek.

Firmy produkujące sprzęt komputerowy, takie jak TRW (Thompson Ramo Wooldridge), Lockheed, General Electric i Sperry Rand zaczęły interesować się tematem grafiki cyfrowej.

W 1964 roku firma IBM wypuściła pierwszy komercyjny komputer służący do tworzenia grafiki. Model IBM 2250 był monitorem bazującym na systemie wyświetlającym obrazy wektorowe. Działał w połączeniu z komputerem System/360 (S/360). Dane wprowadzane były poprzez długopis świetlny oraz dwie klawiatury — jedną alfanumeryczną oraz drugą programistyczną. Do komputera podłączyć można było kopiarkę, umożliwiającą wydruk widoku z ekranu.

IBM 2250 — popieramy myśl tego pana

W tejże firmie w 1965 roku Jack Bresenham opracowuje sposób na rasteryzację krzywych płaskich, nazwany od jego nazwiska Algorytmem Bresenhama. Dzięki temu możliwe staje się obrazowanie okręgów i łuków na urządzeniach rastrowych.

Nikogo nie powinien dziwić fakt, iż tym samym czasie możliwość tworzenia obrazów na ekranie zaczęto wykorzystywać dla rozrywki — tworząc gry. Pierwszą była powstała w 1961 roku Spacewar!, stworzona przez Steve’a Russella z MIT. Kolejna powstała w 1966 roku — Odyssey, napisana przez Ralpha Baera.

Spacewar! — droga do Assasin’s Creed jeszcze daleka

Kenneth Knowlton pracujący w Bell Labs eksperymentuje z tworzeniem obrazów wyłącznie przy pomocy znaków ASCII, zapoczątkowując około 1966 roku nurt sztuki komputerowej zwany ASCII Art.

Sztuka ASCII Kennetha Knowltona — czy powinniśmy ocenzurować to dzieło?

W połowie dekady Douglas Engelbart kierował w Instytucie Badawczym Uniwersytetu Stanford jednostką ARC. Owocami ich prac było stworzenie między innymi myszy komputerowej, hipertekstu oraz elementów interfejsu graficznego, takich jak okna. W 1967 roku złożył podanie o przyznanie patentu na mysz komputerową i otrzymał go w roku 1970. Mysz była wówczas drewnianym prostokątnym korpusem z dwoma metalowymi kółkami.

Pierwsza myszka komputerowa

W 1968 roku Arthur Appel prezentuje algorytm pozwalający na śledzenie promieni, co umożliwiało renderowanie obiektów trójwymiarowych.

David Evans i Ivan Sutherland, profesorowie z Uniwersytetu Utah, zakładają firmę Evans & Sutherland (cóż za oryginalna nazwa!) w 1968 roku. Początkowo firma mieściła się w opuszczonych barakach na terenie uczelni, a jej celem było konstruowanie sprzętu komputerowego na którym dałoby się uruchamiać oprogramowanie stworzone w pracowniach uczelnianych. W latach 70-tych zakupili program symulacji lotów od General Electric i we współpracy z brytyjską firmą Reduffusion Simulation zajęli się pisaniem cyfrowych symulatorów. Tworzą także kolorowe ekrany wektorowe (Picture System 1, 2 i 300). Pod koniec lat 60-tych skonstruowali komputer o nazwie LDS-1 (Line Drawing System-1), który zawierał monitor wektorowy i stację roboczą. Posiadał on oprogramowanie będące pierwszym programem typu CAD.

Różowe lata 70-te

Ed Catmull z oscarem

W tej dekadzie wiodącym ośrodkiem badań nad grafiką komputerową był Uniwersytet Utah, na którym wykładał wspomniany Sutherland i David C. Evans. Tamtejsi studenci Edwin Catmull i Fred Parke stworzyli jedne z pierwszych animacji komputerowych.

Ed Catmull podczas studiów opracował metody teksturowania i algorytmy tzw. subdivision surface orazantyaliasing. W 1972 roku stworzył animację przedstawiającą swoją lewą dłoń, która cztery lata później, w 1976 roku została umieszczona w filmie „Futureworld”. Fascynacja animacją zaowocowała kilka lat później pracą w studiach Lucasfilm, Pixar i Disney oraz Oscarem za wkład w rozwój animacji.

Ręka Catmulla

Frederick Parke stworzył w 1970 roku pierwszy animowany trójwymiarowy model ludzkiej twarzy, na którym zaprezentował różne rodzaje ekspresji.

Twarz Freda Parke’a

Jednym ze studentów Uniwersytetu Utah był także John Warnock, który w 1969 roku stworzył tak zwany Algorytm Warnocka, służący do usuwania powierzchni niewidocznych. Od 1978 roku pracował w Xerox PARC z Charlesem Geschke i usłyszymy o nich w kolejnej dekadzie.

Henri Gouraud, francuski informatyk współpracował z Uniwersytetem w Utah po ukończeniu studiów w Paryżu. Pod kierownictwem Evansa i Sutherlanda napisał pracę doktorską o obrazowaniu powierzchni zakrzywionych. Stworzył metodę zwanąCieniowaniem Gourauda, która umożliwia odtwarzanie światłocienia na obiekcie trójwymiarowym.

Bui Tuong Phong, Wietnamczyk, po ukończeniu studiów inżynierskich we Francji przeniósł się w 1971 roku na Uniwersytet Utah, gdzie w 1973 roku opracował tak zwany Model oświetlenia Phonga (umożliwiający zobrazowanie na obiekcie punktów odbicia światła) i Cieniowanie Phonga.

W 1972 roku Richard Shoup pracujący dla Xeroc PARC opracował pierwszy program graficzny o nazwie SuperPaint. Pozwalał na obróbkę filmów, rysowanie, tworzenie animacji, zawierał takie funkcje jak zmiana nasycenia i jasności obrazu, możliwość rysowania linii i wieloboków, różne rodzaje narzędzi do rysowania (na początku wszystkie pędzle dostępne w programie miały szerokość jednego piksela i dowolną wysokość) oraz paletę kolorów. Posiadał też funkcje autouzupełniania i antyaliasingu. Był jednym z pierwszych programów który używał graficznego interfejsu użytkownika.

Praca wykonana w SuperPaincie

I jej autor

W 1977 roku opracowano 3D Core Graphics System, pierwszy standard cyfrowej grafiki trójwymiarowej. Była to koncepcja stworzona przez 25 ekspertów zajmujących się tematem grafiki komputerowej.

W 1975 roku stworzono pierwszą konstrukcję zaprojektowaną w całości poprzez program komputerowy służący modelowaniu 3D. Było to wielkie jajko wielkanocne, które do dnia dzisiejszego stoi w Vegreville w Kanadzie. Autorami są Paul Sembaliuk, Ronald Resch i Robert McDermott.

Czy jest coś bardziej pociesznego?

Czajnik z Utah

W 1975 roku Martin Newell stworzył trójwymiarowy model czajnika, który służył do testowania nowych algorytmów i metod coraz bardziej zaawansowanych technologii graficznych. Czajnik z Utah stał się ikoną grafiki3D, obecnie umieszczany jest jako primityw w różnych programach (np. 3D Studio Max, AutoCAD), a żartobliwe odniesienia do niego pojawiają się w filmach animowanych (np. Toy Story, Potwory i spółka).

Czajnik w Toy Story

Lata 80-te

W tej dekadzie dostęp do nowych technologii komputerowych, w tym mikroprocesorów 16– i 32-bitowych, otworzył nowe możliwości dla grafiki. Powstawały specjalne stacje robocze służące tworzeniu obrazów cyfrowych, takie jak Orca 1000, 2000 i 3000 firmy Orcatech of Ottawa oraz komputery Silicon Graphics Inc., zwłaszcza popularny modelSGI 3130. Pojawiają się także komputery osobiste przeznaczone na rynek komercyjny, będące dużo tańsze od komputerów dla profesjonalnego użytku – wśród nich przodują firmy takie jak Commodore, Atari, Apple i Tandy Computers.

Apple Computers zostało założone w 1976 roku przez Steve’a Jobsa, Steve’a Wozniaka i Ronalda Wayne’a, lecz rozkwit możliwości firmy przypadł dopiero na lata 80-te, kiedy to postawiła na projektowanie komputerów osobistych. W 1984 roku na rynek wypuszczono model Macintosh, który był pierwszym masowo sprzedawanym komputerem z graficznym interfejsem (zawierającym ikony, foldery itp.) i oprogramowaniem służącym do tworzenia grafiki – MacDraw i MacPaint. Pompatyczną reklamę telewizyjną tego sprzętu, silnie nawiązującą do „Roku 1984” George’a Orwella, wyreżyserował sam Ridley Scott. Pojawienie się Macintosha na rynku pozwoliło większej ilości ludzi – zwłaszcza prywatnym konsumentom – na tworzenie grafiki cyfrowej.

Pierwszy Macintosh

MacDraw

W 1982 roku John Warnock i Charles Geschke, dawni studenci Uniwersytetu Utah, założyli firmę Adobe Systems. Udało im się stworzyć technologię PostScripti opracować pierwszy system DTP.

Adobe Illustrator 1

W 1987 roku firma wypuściła oprogramowanie nazwane Adobe Illustrator, program graficzny oparty na wektorach, przeznaczony na komputery Apple Macintosh. Illustrator przewyższył panujący standard, dyktowany przez program MacDraw, ponieważ dzięki oparciu kształtów na krzywych Beziera pozwalał na lepszą dokładność odwzorowania.

Adobe Photoshop

W 1989 roku Adobe stworzyło (a właściwie odkupiło od Thomasa Knoll’a) produkt, który wkrótce stał się symbolem firmy — program do edycji grafiki o nazwiePhotoshop.

Firma Silicon Graphics Inc. Powstała w 1982 roku. Założył ją James Clark, student Uniwersytetu Utah i profesor Uniwersytetu Stanforda. Wraz ze swoimi studentami zajął się budową terminali graficznych opartych na procesorach firmy Motorola oraz mikroprocesorach MIPS. Silicon Graphics wkrótce stało się firmą przodującą w dziedzinie filmowych efektów specjalnych.

W 1982 roku Disney wypuszcza film „TRON”, zawierający oszałamiające 15 minut i 235 scen stworzonych komputerowo.

Coraz większa popularność komputerów osobistych pozwala prywatnym użytkownikom na rozwijanie własnych zainteresowań artystycznych. Początkowo do dyspozycji mieli jedynie 16 kolorów i rozdzielczość 320x200 bądź 640x200 pikseli na komputerach Atari 800 i Commodore 64. Już w 1985 roku Commodore Amiga zaoferowała konsumentom rewolucyjne możliwości — rozdzielczość 640x480 i paletę 4096 kolorów oraz programy graficzne Photon Paint i Deluxe Paint. Pozwalało to na tworzenie niemal fotorealistycznych grafik.

Amiga 500 z 1987 roku

Grafika stworzona w PhotonPaint

Niemal równolegle Ian E. Davis w 1986 tworzy pakiet graficzny TheDraw, pozwalający na tworzenie ANSI artów. Ten nurt wywodził się od sztuki ASCII, operował jednak większą liczbą znaków i 16 kolorami dla obiektu oraz 8 kolorami tła.

TheDraw

Lata 90-te

Lata 90-te to rozkwit grafiki 3D, która zawojowała świat swymi nieograniczonymi możliwościami zastosowania: od tworzenia modeli technicznych przez rozrywkę w postaci gier komputerowych i filmów animowanych. W 1995 roku powstał pierwszy pełnometrażowy film wykorzystujący wyłącznie animację 3D — Toy Story. W 1996 roku pierwsza gra 3D – Quake.

Pojawiają się karty graficzne dla komputerów osobistych, pozwalające na wyświetlanie obrazów w lepszej rozdzielczości i szerszej palecie barwnej. Kolejne generacje komputerów Amiga posiadają ulepszone układy graficzne z możliwością operowania paletą 24-bitową (16777216 kolorów). W tym czasie komputery typu IBM-PC oferują standard XGA, umożliwiający wyświetlanie do 65536 kolorów.

W 1990 roku firma JASC Software wydaje program do konwersji plików BMP, GIF i PCX. Nazywa go Paint Shop Pro. Kolejne wydania rozszerzają funkcjonalność aplikacji o możliwość edycji obrazów rastrowych oraz tworzenie nowych przy pomocy różnorodnych pędzli. W późniejszym czasie dodana zostanie funkcja obsługi grafiki wektorowej.

Założona w 1985 roku firma Corel wydała w 1989 roku pierwszą wersję swojego flagowego programu CorelDraw, służącego do tworzenia ilustracji wektorowych. W latach 90-tych dołączyła do czołówki firm zajmujących się oprogramowaniem graficznym. W 1992 roku do swojej oferty dodała aplikacje Corel Photo-Paint (umożliwiający edycję obrazów rastrowych), CorelSHOW (do tworzenia prezentacji), CorelCHART (do tworzenia wykresów) i CorelTRACE (służący wektoryzacji obrazów rastrowych). Programy te oferowane były w pakiecie wraz z CorelDraw.

Adobe rozwija swoje projekty — Photoshopa i Illustratora. Nowy program o nazwieAdobe Premiere pojawia się w 1991 roku. W 1993 roku firma wprowadza format PDF, który staje się wkrótce międzynarodowym standardem dla dokumentów elektronicznych. W 1994 roku przejmuje firmę Aldus, która była twórcą programówAfter Effects i PageMaker — te rozszerzają ofertę Adobe.

W grafice trójwymiarowej ton nadaje program 3D Studio, wyprodukowany w 1990 roku przez firmę Yost Group. Późniejsze wersje będą wydawane przed Autodesk pod nazwą3D Studio MAX (obecnie 3ds max). Program ten stał się najpopularniejszym narzędziem służącym do tworzenia trójwymiarowych modeli, ciesząc się uznaniem wśród projektantów gier komputerowych, wizualizacji architektonicznych i reklam telewizyjnych.

Dalszą historię przybliżył w sposób bardziej osobisty Sebastian Kończak w swoim artykule „Dawne czasy grubych monitorów…“.