Arvutigraafika

Allikas: Vikipeedia
Pilt programmist Blender 2.45, milles töödeldakse 3D testimismudelit "Suzanne".
Arvuti abil loodud kujutis ESTCube-1 nanosatelliidist.

Arvutigraafika on graafika, mille arvuti tekitab pildifaile manipuleerides ja esitades, kasutades spetsiaalset tarkvara ja riistvara. Arvutigraafika areng on lihtsustanud arvutite kasutamist, andes aja jooksul operatsioonisüsteemidele graafilise liidese. See on tugevalt mõjutanud erinevaid meediakanaleid, animatsiooni arengut, filmindust ja videomängude tööstust ning sellel on suur roll tänapäeva reklaamides, mida näeme internetis veebilehtedel, programmides ja mängudes.

Ülevaade[muuda | redigeeri lähteteksti]

Arvutigraafika terminit on kasutatud kirjeldamaks arvutites "peaaegu kõike, mis pole tekst ega heli". Terminit mõistetakse tavaliselt järgmiselt:

  • arvuti representatsioon ja manipulatsioon pildi algandmetest;
  • tavaline pilt;
  • arvutiteaduse haru, mis uurib meetodeid, kuidas visuaalset materjali digitaalselt sünteesida ja töödelda.

Tänapäeval on arvutid ja arvutite genereeritud pildid osa igapäevaelust. Arvutigraafika elemente leiab näiteks televisioonist, ajalehtedest ja ilmateadetest. Lihtne diagramm teleprogrammis võib esitada keerulist statistilist infot, millest on tavavaatajal kerge aru saada. Meedias kasutatakse selliseid graafikuid materjalide visuaalseks esitamiseks.

Loodud on palju vahendeid, millega andmeid "visualiseerida". Arvutiga loodud graafikat liigitatakse järgmiselt: 2D, 3D ja animeeritud graafika. Tehnoloogia arenedes saab 3D-graafika aina argisemaks, kuid ka 2D (ehk tavalised graafikud ja muu sarnane) on veel laialt kasutusel.

Ajalugu[muuda | redigeeri lähteteksti]

1960. aastad[muuda | redigeeri lähteteksti]

Esimene arvutimäng maailmas - Spacewar!
SAGE kontrollruum

Mõiste „arvutigraafika“ võttis kasutusele Boeingu disainer William Fetter 1960. aastal. Arvutigraafika hakkas valdkonnana arenema graafikaga tegeleva riistvara ilmumisel. Projektid nagu „Whirlwind“ ja SAGE tutvustasid elektronkiirekuvarit kui ekraani ja esitlesid ka erilist pliiatsit, mida sai ekraani peal kasutada sarnaselt tänapäevaste puutetundlike ekraanidega, kuid see oli mitu korda täpsem.

Aastal 1959 arendati Massachusettsi Tehnoloogiainstituudis välja arvuti TX-2, millega sai spetsiaalse pliiatsiga ekraanile kujutisi visandada, kasutades Ivan Sutherlandi revolutsioonilist tarkvara Sketchpad. Visandeid sai isegi salvestada ja hiljem uuesti esile kutsuda.

1961. aastal lõi Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi tudeng Steve Russell arvutile DEC PDP-1 esimese videomängu – Spacewar. Mäng sai suureks hitiks ja levis kiirelt PDP-1 omanike seas. DECi insenerid kasutasid Spacewar’i ka uute PDP-1 mudelite testimiseks, enne kui arvuti müüki läks.

1970. aastad[muuda | redigeeri lähteteksti]

1970. aastatel toimusid suuremad läbimurded arvutigraafika vallas Utah' Ülikoolis. Üliõpilane Edwin Catmull alustas Utah’s õpinguid aastal 1970 ja registreeris end Sutherlandi arvutigraafika aine õppijaks. Lapsepõlves Disneyt näinud Catmullile meeldis väga animatsioon, kuid ta avastas kiiresti, et tal pole joonistamisannet. Hiljem hakkas ta nägema arvuteid kui loomulikku järge animatsiooni arengule ja tal tekkis suur soov olla osa sellest revolutsioonist. Esimene Catmulli animatsioon oligi tema enda käe liikumine, misjärel sai üheks tema suureks eesmärgiks produtseerida täispikk film, kasutades arvutigraafikat. Niisiis läks Catmull Utah' Ülikooli õppima 3D-animatsiooni.

Esimese suure sammu 3D-arvutigraafikas, milleks oli varjatud pinna eemaldamise algoritmi loomine, astusid Utah' Ülikoolis noored tudengid Edwin Catmull, Fred Parke ja John Warnock. Et 3D-pilti ekraanil kujutada, peab arvuti enne kindlaks määrama, millised kujundi pinnad on objekti „taga“ vaataja perspektiivist ning seega need „varjama“, kui arvuti joonistab ekraanile pilti.

1980. aastad[muuda | redigeeri lähteteksti]

1980. aastatel hakkasid kunstnikud ja disainerid nägema personaalarvutit kui tööriista, mis aitaks aega kokku hoida ja joonistada täpsemalt kui teised meetodid seda sel ajal lubasid. Eriti jäid tähelepanu alla arvutid Commodore Amiga ja Macintosh. 80. aastate lõpus loodi Pixaris juba arvuteid kasutades esimesed täielikult arvutiga tehtud lühifilmid. Macintoshi arvutid on siiani populaarsed tööriistad arvutigraafikaga tegelevates stuudiotes ja firmades. Tänapäeva arvutid kasutavad graafilist kasutajaliidest kuvamaks andmeid ja informatsiooni sümbolite, ikoonide ja piltide kaudu. Graafika on üheks multimeedia tehnoloogia võtmeelemendiks.

1990. aastad[muuda | redigeeri lähteteksti]

1990. aastatel sai 3D-graafika populaarsemaks mängutööstuses, multimeedias ja animatsioonis. 80-ndate lõpus ja 90-ndate alguses tehti Prantsusmaal esimesed arvutigraafikaga loodud teleseriaalid: „La Vie des bêtes“ (Mac Guff Ligne, 1988), „Les Fables Géométriques“ (J.-Y. Grall, Georg Lacroix ja Renato, 1991–1993). Aastal 1995 tuli kinno esimene täispikk arvutiga tehtud animafilm "Toy Story". 1996. aastal tuli välja üks esimesi 3D-mänge – "Quake". Sellest ajast alates on arvutigraafika läinud detailsemaks ja realistlikumaks, seda tänu võimsamatele graafikakaartidele ning muule graafikat puudutavale riistvarale ja tarkvarale.

Arvutigraafika pioneerid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Charles Csuri
Charles Csuri (sündinud 4. juuli 1922) oli arvutianimatsiooni ja digitaalse kunsti pioneer, kes hakkas arvutikunstiga tegelema aastal 1964. Teda on tunnustatud digitaalse kunsti ja animatsiooni "isana". Oma elus tegeles ta ka Ameerika jalgpalliga ja on sellega kirja ennast pannud ka Football Hall Of Famei. Lisaks on ta ka Teise maailmasõja veteran, teenides oma riiki 1943–1946 ja saades oma teenistuse eest ka Pronkstähe.
Donald P. Greenberg
Donald P. Greenberg on arvutigraafika innovatsiooniliider, kes on kirjutanud sadu artikleid ja olnud nii õpetaja kui ka mentor paljudele arvutigraafikaga tegelevatele kunstnikele, animaatoritele ja uurijatele, näiteks Robert L. Cook, Marc Levoy ja Wayne Lytle. Paljud ta õpilastest on võitnud Oscari auhinna tehniliste saavutuste eest.
Aaron Marcus
Aaron Marcus (sündinud 22. mail 1943) on üks esimesi graafikadisainereid arvutigraafika vallas. Ta on kirjutanud üle 250 artikli ja olnud osaline kuue raamatu kirjutamises. Aaron Marcus on üle 40 aasta üle maailma avaldanud artikleid ja raamatuid, pidanud loenguid, õpetanud ja nõustanud.
A. Michael Noll
A. Michael Noll oli üks esimesi uurijaid, kes kasutas 1962. aastal arvutit oma visuaalse kunsti loomiseks. 1965. aastal avaldasid A. Michael Noll, Frieder Nake ja Georg Nees esimese kunstinäituse, mis sisaldas ainult nende arvutiga tehtud kunsti. Sama aasta aprillis näidati tema töid ka Howard Wise Galeriis.
Teisi

Pilditüübid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kahemõõtmelised[muuda | redigeeri lähteteksti]

2D-arvutigraafika on digitaalse pildi generatsioon, mis koosneb peamiselt kahemõõtmelisestest mudelitest, näiteks nagu geomeetrilised 2D-mudelid, tekst, digitaalsed pildid. 2D-arvutigraafikat kasutatakse peamiselt rakendustes, mis algselt arenesid traditsioonilisest joonistamise ja printimise tehnoloogiatest, nagu näiteks tüpograafia, kartograafia, tehniline joonistamine, reklaamid. Nendes rakendustes pole kahemõõtmeline pilt mitte lihtsalt reaalse objekti representatsioon, vaid iseseisev ese. Seetõttu eelistatakse 2D-mudeleid, kuna need annavad kolmemõõtmeliste arvutigraafika mudelitega võrreldes rohkem otsest kontrolli pildi üle.

Kolmemõõtmelised[muuda | redigeeri lähteteksti]

3D-arvutigraafika, erinevalt 2D-arvutigraafikast on graafika, mis kasutab arvutis salvestatud kolmemõõtmeliste geomeetriliste andmete representatsioone selleks, et teha arvutusi ja renderdada neid 2D-pildiks, et neid saaks ekraanil vaadata. 3D-mudel on matemaatiline esitus ükskõik millisest kolmemõõtmelisest objektist. Mudel ei ole tehniliselt graafika seni, kuni see pole visuaalselt kuvatud. Mudelit saab näiteks kuvada kahemõõtmelise objektina sellise protseduuri kaudu nagu 3D-renderdamine või ka kasutada mittevisuaalse arvutisimulatsiooni või arvutuste jaoks. On olemas ka 3D-arvutigraafika tarkvara, millega saab luua kolmemõõtmelisi pilte.

Arvutianimatsioon[muuda | redigeeri lähteteksti]

Arvutianimatsiooni loomine liikumisanduritega

Arvutianimatsioon[1] on arvutiga loodud liikuvate piltide kunst. Arvutianimatsiooni loetakse arutigraafika ja animatsiooni alajaotuseks. Tänapäeval kujutatakse selle all rohkem 3D-arvutigraafikat, kuid tegelikult on ka 2D-arvutigraafika veel laialdaselt kasutuses kohtades, kus on tarvis kiiremat reaalajas renderdamist. Arvutianimatsioone luuakse arvutis endas kasutamiseks või näiteks ka filmi loomiseks. Viimasel juhul öeldakse selle kohta CGI (ingl keeles Computer Generated Imagery).

Arvutigraafika liigid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Vektorgraafika
Vektorgraafikaks[2] nimetatakse graafiliste objektide esitamist matemaatiliste valemite abil. Selle kaudu saab objekte ükshaaval kergelt muuta ja liigutada üksteise peale, kui rastergraafikat kasutades ei ole selle tegemine nii lihtne. Programmid, millega saab vektorgraafikat esitada on näiteks Adobe Illustrator, Corel Draw, Freehand. Üldiselt kasutatakse vektorgraafikat näiteks joongraafikast koosnevate plakatite jaoks, joontest koosnevate plaanide, masinaehitusjooniste, projektide ja muu taolise esitamiseks, graafikute, diagrammide esitamiseks.
Rastergraafika
Rastergraafika[3] puhul koosneb pilt pikslitest, millest iga piksel on eraldi töödeldav ja kindlat värvi. Seda kasutatakse digiteeritud fotode ja realistlike joonistuste puhul, kuna objektidel ei pea olema selgeid piirjooni ning suurte pikslite arvu puhul on värviüleminekud väga sujuvad ja pilt näeb reaalsem välja. Programmidest võib esile tuua Gimp, Paint, Adobe Photoshop. Rastergraafika puhul on tähtis ekraani resolutsioon, millega graafikat kuvatakse, pildi suurus pikslites ja värviresolutsioon, mis näitab ära, mitu bitti graafikamälu on vaja ühe piksli värvi kirjeldamiseks. Mida suurem on värvisügavus, seda paremat riistvara on pildi kuvamiseks vaja, kuid seda parem on pilt.

Mõisted ja põhimõtted[muuda | redigeeri lähteteksti]

Pilte tehakse üldiselt selliste optiliste seadetega nagu kaamerad, peeglid, läätsed, teleskoobid, mikroskoobid ning ka looduslikult näiteks silmaga või veepindadega. Digitaalpilt on seevastu kahemõõtmeline pilt binaarkoodis. Kasutatakse nii vektorgraafikat kui ka rastergraafikat, kuid rastergraafikaga tehtud pildid on üldiselt levinumad.

Piksel
Pikslite näide
Piksel on üks kindel punkt rasterpildis. Tavaliselt paigutatakse pikslid kahemõõtmelisse võrgustikku ja esitatakse siis kasutades punkte või ruute. Iga piksel koosneb värviproovidest, mille kogum tagab täpsema esituse pildist. Pikslit nimetatakse kõige väiksemaks adresseeritavaks ekraanielemendiks, kuna see on kõige väiksem üksus, mida saab esitada või kontrollida.
Graafika
Graafika on visuaalne esitus mingil pinnal, näiteks seinal, arvutiekraanil, paberil vms. Graafika kombineerib tihti teksti, illustratsiooni ja värvi. Graafika võib olla nii funktsionaalne kui ka kunstiline.
Renderdamine
4D pentahoora 3D projektsiooni kahedimensiooniline renderdus.
Renderdamine[4] on protsess, mille käigus mudelist genereeritakse pilt. Algne fail sisaldab endas geomeetrilisi aspekte, tekstuuri, valgustust ja varjutust. Kõik need andmed saadetakse renderdamisprogrammile, mis väljastab digitaalse pildi või rasterpildifaili. Renderdamisprogramm on tavaliselt ehitatud tarkvara sisse, kuid on ka eraldi olemas plugine ja täiesti eraldiseisvaid programme. Termin "renderdamine" on kohati analoogias artisti renderdamisega, kuna põhimõte on neil mõlemal sama - luua 2D-pilt kolmemõõtmelisest originaalist.

Renderdamine on tähtis element videokaardi puhul, kuna selle ülesanne on aidata protsessorit keeruliste renderdamisega seotud arvutuste tegemisel.

3D-modelleerimine[muuda | redigeeri lähteteksti]

3D-modeleerimine[5] on protsess, mille käigus arendatakse välja ükskõik millisest kolmemõõtmelisest objektist matemaatiline mudel, kasutades vaid piirjooni. Neid saab luua nii automaatselt kui manuaalselt, viimane neist on sarnane plastilise kunstiga nagu näiteks skulptuuriga. 3D-mudelit saab esitada kahemõõtmelisese pildiga, kasutades 3D-renderdamist. Tänapäeval on olemas ka juba 3D-printerid, mis suudavad luua objektist füüsilise mudeli.

Videokaardid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kuna 3D-modelleerimine on arvuti jaoks üsna nõudlik ülesanne, seda eriti suuremate pildifailide ja graafikat nõudvate protsesside puhul, on videokaardil graafika kuvamisel suurt tähtsus. Videokaart (ka graafikakaart, graafikakiirendi, kuvaadapter, videoadapter, graafikaadapter) on laienduskaart ja seade, mis muundab arvuti mälus oleva kujutise kuvarile arusaadavaks signaaliks. Videokaart võtab protsessorilt kahendsüsteemi andmed, mis pärast mitmesugust töötlemist (renderdamine, modelleerimine, varjutamine) teisendab kõik need andmed pildiks, mida kasutaja kuvarilt näha võib. Ruumilise kujutise loomiseks peab videokaart esmalt looma juhtraamistiku sirgjoontest, seejärel kujutis rasterdatakse ehk täidetakse järelejäänud pikslid, mille järel lisab videokaart valgustuse, tekstuuri ja värvid. Nõudlike rakenduste, näiteks arvutimängude, puhul peab arvuti olema suuteline teostama seda protsessi väga kiirelt ning reaalajas, mille tõttu on vaja arvutil videokaarti. Videokaardid oskavad peale oma põhiülesande täita ka mitmeid lisafunktsioone, võimaldades näiteks kolmemõõtmelise ja kahemõõtmelise arvutigraafika kiirendatud renderdamist.

Arvutigraafika kui teadus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Arvutigraafikateadust loetakse arvutiteaduse haruks, mis uurib erinevaid meetodeid visuaalse materjali digitaalseks sünteesiks ja töötlemiseks. Kuigi selle all mõeldakse tihti kolmemõõtmelisest arvutigraafikat, siis tegelikult läheb selle alla ka 2D-arvutigraafika ja pilditöötlus.

Akadeemilise teadusharuna uurib arvutigraafika geomeetrilise ja visuaalse informatsiooni töötlemist, kasutades arvutusviise. Arvutigraafikateadus keskendub pigem matemaatilistele ja arvutuslikele alustele kui esteetilistele.

Rakendused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Arvutigraafikat kasutatakse peamiselt järgmistes valdkondades:

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

Välislingid[muuda | redigeeri lähteteksti]

See artikkel on täielikult või osaliselt tõlgitud artikli Computer Graphics sellest versioonist.