Arvutigraafika

Arvutigraafika (ka raalgraafika) on graafika, mille arvuti tekitab pildifailide põhjal, kasutades sellekohast tarkvara ja riistvara. 
Arvutigraafika areng on lihtsustanud arvutite kasutamist, andes operatsioonisüsteemidele graafilise liidese. See on tugevalt mõjutanud meediakanaleid, animatsiooni, filmindust ja videomängude tööstust ning sellel on suur roll tänapäeva reklaamides.

1950. aastad

Mõiste "arvutigraafika" võttis kasutusele lennukeid tootva ettevõtte Boeing disainer William Fetter 1950. aastal. Arvutigraafika hakkas valdkonnana arenema graafikaga tegeleva riistvara ilmumisel. Projektid "Whirlwind" ja SAGE tutvustasid elektronkiirekuvarit ekraanina ja esitlesid ka erilist pliiatsit, mida sai ekraanil kasutada sarnaselt tänapäevaste puutetundlike ekraanidega, kuid see oli mitu korda täpsem.
Aastal 1951 töötati Massachusettsi Tehnoloogiainstituudis välja arvuti TX-2, millega sai erilise pliiatsiga ekraanile kujutisi visandada, kasutades Ivan Sutherlandi revolutsioonilist tarkvara Sketchpad. Visandeid sai isegi salvestada ja hiljem taasesitada.
1951. aastal lõi Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi tudeng Steve Russell arvutile DEC PDP-1 esimese videomängu Spacewar. Mäng sai hitiks ja levis kiirelt PDP-1 omanike seas. DEC-i insenerid kasutasid Spacewari ka uute PDP-1 mudelite testimiseks, enne kui arvuti müüki läks.

1970. aastad

1970. aastatel toimus läbimurre arvutigraafika vallas Utah' Ülikoolis. Üliõpilane Edwin Catmull alustas Utah’s õpinguid aastal 1970 ja registreeris end Sutherlandi arvutigraafika aine õppijaks. Lapsepõlves Disney filme näinud Catmullile meeldis väga animatsioon, kuid ta avastas kiiresti, et tal pole joonistamisannet. Hiljem hakkas ta nägema arvuteid loomuliku järjena animatsiooni arengule ja tal tekkis soov olla osa sellest revolutsioonist. Esimene Catmulli animatsioon oligi tema enda käe liikumine, misjärel üheks tema suureks eesmärgiks sai täispika filmi produtseerimine, mis kasutaks arvutigraafikat. Niisiis läks Catmull Utah' Ülikooli õppima 3D-animatsiooni.
Esimese suure sammu 3D-arvutigraafikas, milleks oli varjatud pinna eemaldamise algoritmi loomine, astusid Utah' Ülikoolis 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 ja seega need "varjama", kui arvuti joonistab ekraanile pilti.

1980. aastad

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

1990. aastad

1990. aastatel sai 3D-graafika populaarseks 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) ning "Les Fables Géométriques" (J.-Y. Grall, Georg Lacroix ja Renato, 1991–1993). Aastal 1995 tuli kinno esimene täispikk arvutiga tehtud animafilm "Lelulugu". 1996 tuli välja üks esimesi 3D-mänge "Quake". Sellest ajast alates on arvutigraafika läinud detailsemaks ja realistlikumaks tänu võimsamatele graafikakaartidele ning muule graafikat puudutavale riistvarale ja tarkvarale.

Kahemõõtmelised

2D-arvutigraafika on pildi esitamine digitaalsete kahemõõtmeliste mudelitena, näiteks tasandilise geomeetria ja teksti abil.
2D-arvutigraafikat kasutatakse peamiselt niisugustes rakendustes, mis arenesid traditsioonilisest joonistamise ja printimise tehnikatest, näiteks tüpograafiast, kartograafiast, joonestamisest ja reklaamidest. Nendes rakendustes pole kahemõõtmeline pilt lihtsalt reaalse objekti esitus, vaid iseseisev objekt. Seetõttu eelistatakse 2D-mudeleid, kuna need annavad kolmemõõtmelise arvutigraafikaga võrreldes rohkem otsest kontrolli pildi üle.

Kolmemõõtmelised

3D-arvutigraafika on pildi esitamine digitaalsete kolmemõõtmeliste mudelitena, näiteks ruumilise geomeetria abil.
3D-mudel on kolmemõõtmelise objekti matemaatiline esitus. Mudelit saab kuvada kahemõõtmelisena 3D-renderdamise kaudu või kasutada mittevisuaalse arvutisimulatsiooni või arvutuste jaoks. On olemas ka 3D-arvutigraafika tarkvara.

Arvutianimatsioon

Arvutianimatsioon on arvutiga loodud liikuvate piltide kunst. Arvutianimatsiooni loetakse arvutigraafika ja animatsiooni alajaotuseks. Tänapäeval mõeldakse selle all rohkem 3D-graafikat, kuid ka 2D-graafika on laialdaselt kasutuses seal, kus on tarvis kiiremat renderdamist reaalajas. Arvutianimatsioone luuakse arvutis endas kasutamiseks või näiteks filmi loomiseks. Viimasel juhul öeldakse selle kohta CGI (inglise keeles Computer Generated Imagery).

Mõisted ja põhimõtted

Pilte tehakse üldiselt selliste optiliste seadmetega nagu kaamerad, peeglid, läätsed, teleskoobid ja mikroskoobid ning looduslikult näiteks silmaga või veepindadega. Digitaalpilt on seevastu kahemõõtmeline pilt kahendkoodis. Kasutatakse nii vektorgraafikat kui rastergraafikat, kuid rastergraafikaga tehtud pildid on levinumad.
Piksel on üks kindel punkt rasterpildis. Tavaliselt paigutatakse pikslid kahemõõtmelisse võrgustikku ja esitatakse siis punktide või ruutudena. Iga piksel koosneb värviproovidest, mis esitavad kindla värvi. Piksel on kõige väiksem adresseeritav ekraanielement, kõige väiksem üksus, mida saab esitada või kontrollida.
Graafika on visuaalne esitus mingil pinnal, näiteks seinal, arvutiekraanil või paberil. Graafika kombineerib tihti teksti, illustratsiooni ja värvi. Graafika võib olla nii funktsionaalne kui ka kunstiline.
Renderdamine on protsess, mille käigus mudelist saadakse pilt. Lähtefailis on geomeetrilised aspektid, tekstuur, valgustus ja varjutus. Kõik need andmed saadetakse renderdusrakendusse, mis väljastab digitaalse või rasterpildifaili. Renderdusrakendus on tavaliselt osa tarkvarast, kuid on ka olemas eraldi pluginaid ja täiesti iseseisvaid rakendusi. Termin "renderdamine" on analoogiline kunstniku renderdamisega, kuna põhimõte on neil sama: kahemõõtmelise pildi loomine kolmemõõtmelisest originaalist.
Renderdamine on videokaardi tähtis ülesanne.

Videokaardid

Kuna 3D-modelleerimine on arvuti jaoks üsna nõudlik ülesanne, eriti suurte pildifailide ja graafikat nõudvate protsesside korral, 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 kujul olevad andmed ja töötleb need mitmesuguste protsesside (renderdamine, modelleerimine, varjutamine) kaudu 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. Nõudlikes rakendustes, näiteks arvutimängudes tuleb seda teha reaalajas. Videokaartidel on ka lisaülesandeid, näiteks kolme- ja kahemõõtmelise arvutigraafika kiirendatud renderdamine.

Arvutigraafika kui teadus

Arvutigraafikateadust loetakse arvutiteaduse haruks, mis uurib visuaalse materjali digitaalseks sünteesimise ja töötlemise meetodeid. Kuigi selle all mõeldakse tihti kolmemõõtmelisest arvutigraafikat, siis tegelikult lähevad selle alla ka 2D-arvutigraafika ja pilditöötlus.
Akadeemilise teadusharuna uurib arvutigraafika geomeetrilise ja visuaalse teabe digitaalset töötlemist. Arvutigraafikateadus keskendub pigem matemaatilistele ja arvutuslikele alustele kui esteetilistele.