Arvutigraafika

Arvutigraafika (ka "raalgraafika") on graafika, mille arvuti tekitab pildifailide põhjal, kasutades asjakohast 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.
Ülevaade.
Mõistet "arvutigraafika" on kasutatud, kirjeldamaks arvutites "peaaegu kõike, mis pole tekst ega heli". Terminit mõistetakse tavaliselt järgmiselt:
Tänapäeval on arvutid ja arvutite tekitatud pildid osa igapäevaelust. Arvutigraafikat leiab televisioonist, ajalehtedest ja ilmateadetest. Lihtne diagramm telesaates 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 2D-, 3D- ja animeeritud graafikaks. Tehnika arenedes saab 3D-graafika aina argisemaks, kuid ka 2D (ehk tavalised graafikud ja muu sarnane) on veel laialt kasutusel.
Ajalugu.
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.
1958. aastal 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.
1962. 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 üliõpilased 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. aastate 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 arvutimängutööstuses, multimeedias ja animatsioonis. 1980. aastate lõpus ja 1990. aastate alguses tehti Prantsusmaal esimesed arvutigraafikaga loodud teleseriaalid "La Vie des bêtes" (Mac Guff Ligne, 1988) ja "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". Sestpeale on arvutigraafika läinud detailsemaks ja realistlikumaks tänu võimsamatele graafikakaartidele ning muule graafikat puudutavale riistvarale ja tarkvarale.
Arvutigraafika pioneerid.
Charles Csuri (sündinud 1922) hakkas 1964. aastal tegema arvutikunsti. Teda on tunnustatud digitaalse kunsti ja animatsiooni isana. Ta harrastas ka Ameerika jalgpalli ja arvati isegi Ameerika jalgpalli kuulsuste halli. Lisaks on ta teise maailmasõja veteran ja saanud teenistuse eest Pronkstähe.
Donald P. Greenberg on arvutigraafika innovatsiooniliider, kes on kirjutanud sadu artikleid ning olnud õpetaja ja mentor paljudele arvutigraafikaga tegelevatele kunstnikele, animaatoritele ja uurijatele, kelle hulgas on Robert L. Cook, Marc Levoy ja Wayne Lytle. Paljud ta õpilastest on võitnud Oscari tehniliste saavutuste eest.
Aaron Marcus (sündinud 1943) on üks esimesi arvutigraafikadisainereid. Ta on kirjutanud 40 aasta jooksul üle 250 artikli üle maailma ja olnud osaline kuue raamatu kirjutamises. Aaron Marcus on pidanud loenguid, õpetanud ja nõustanud.
A. Michael Noll oli üks esimesi uurijaid, kes kasutas 1962. aastal arvutit visuaalkunsti loomiseks. 1965. aastal koostasid 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'i galeriis.
Eestis oli üks esimesi arvutigraafikaga tegelejaid fin plotter.
Pilditüübid.
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 kasutusel 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.
3D-modelleerimine.
3D-modelleerimine on protsess, mille käigus luuakse kolmemõõtmelisest objektist matemaatiline mudel, kasutades vaid piirjooni. Neid saab luua nii automaatselt kui manuaalselt, viimane neist on sarnane plastilise kunsti, näiteks skulptuuriga. 3D-mudelit saab esitada kahemõõtmelise pildiga, kasutades 3D-renderdamist. Tänapäeval on olemas 3D-printerid, mis suudavad luua objektist füüsilise mudeli.
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.
Rakendused.
Arvutigraafikat kasutatakse peamiselt järgmistes valdkondades: