Компьютерная графика
Компьютерная графика (также машинная графика) — область деятельности, в которой компьютеры используются как для синтеза изображений, так и для обработки визуальной информации, полученной из реального мира. Также компьютерной графикой называют и результат этой деятельности.
Первые системы компьютерной появились вместе с первыми цифровыми компьютерами.
Иногда для отображения вспомогательной информации (как правило состояние электрических цепей) использовались обычные осциллографы, которые позже эволюционировали в векторные и растровые дисплеи. И уже тогда появились первые образцы компьютерного искусства. Среди пионеров компьютерного искусства – Бен Лапоски и Герберт Франк. С 1950 года они проводили различные эксперименты, названные позже “oscillons”.
Однако такие исследования были лишь развлечением, первым практически широкомасштабным применением компьютерной графики стала система радиолокационного обнаружения воздушных целей “SAGE”, оснащенная компьютером «Вихрь».
Whirlwind (1951)
Первой системой компьютерной графики стал проект «Вихрь» (Whirlwind). Эта система была разработана в Массачусетском Технологическом Институте для целей оборонных ведомств: а именно отслеживание воздушных целей и противовоздушной обороны. Компьютер работал в реальном времени и использовал дисплеи для отображения информации. Работой над «Вихрем» руководили Джей Форрестер и Роберт Эверрет.
Рис. 1. "Вихрь"
Исторической предпосылкой создания «Вихря» стало желание военного морского ведомства создать тренажер для бомбардировщиков. В MIT была выделена лаборатория, и вскоре был создан аналоговый компьютер. Однако он не оправдал надежд: компьютер был недостаточно точен в вычислениях и трудно расширяем в функциональном плане. Позже члены команды занимающейся проектом «Вихрь» увидели ENIAC и предложили использовать цифровой компьютер для этих целей. ВМС США согласились изменить планы относительно проекта, а позже проектом заинтересовались ВВС США. На тот момент существующая система ПВО не могла противостоять новым угрозам, так как не существовало эффективной централизованной системы сбора радиолокационной информации. Испытания Советским Союзом ядерной бомбы и создание дальних бомбардировщиком значительно обостряло ситуацию.
Работы начались в 1947 году, и в том же году машина была спроектирована. Компьютер оперировал 16-ти битными числами и, в отличие, от предшествующих образцов выполнял битовые операции параллельно. Объем памяти составлял 2k слов.
Работы над созданием начались в 1948 году. 175 человек, включая 70 инженеров и техников. Работы велись 3 года, и компьютер был запущен 20 апреля 1951 года. Стоимость проекта составила порядка 1 миллиона долларов. ЭВМ содержала 5000 вакуумных ламп.
В течение нескольких лет были проведен ряд улучшений. Например, основная память, объемом 256 слов была изначально выполнена на вакуумных лампах. Однако позже они были заменены более совершенным носителями, что ускорило время обращения к памяти в 2 раза (до 40 кб/с).
До появления «Вихря» все компьютеры работали в пакетном режиме, однако «Вихрь» стал первым компьютером, который работал в интерактивном режиме.
На тот момент времени это был самый быстрый компьютер.
Тем не менее, для «Вихря» производительность стала серьезной проблемой, что стало причиной начала разработки компьютера «Вихрь-2», но возможностей MIT не хватило, и проект перешел под управление IBM, где стал прототипом системы AN/FSQ-7, которую иногда неправильно относят к проекту «Вихрю-2»
После запуска действующего прототипа была создана программа SAGE (Semi-Automatic Ground Environment) – системы противовоздушной обороны, где компьютерам “Вихрь” отводилась важная роль. Три центра управления, оснащенные компьютерами получали информацию с РЛС, осуществляли обработку и формировали ответные команды и целеуказания системам ПВО. Система эксплуатировалась с 1958 по 1983 год, состояла из 22 секторов слежения, и каждый сектор обслуживало порядка 50 человек, причем каждый из них имел свой пуль оснащенный монитором, клавиатурой и световым пером.
Рис. 2: Комната управления системой "SAGE"
Первый образец «Вихря» эксплуатировался вплоть до 1959 года. После чего, до 1979 года, Роберт Эверрет и Кен Олсен использовали его в лабораторных целях. Сейчас «Вихрь» стоит в музее Истории компьютеров в Калифорнии.
«Вихрь» был лишь примером первого практического использования компьютерной графики, следующим большим шагом в развитии стали разработки Айвена Сазерленда.
Sketchpad (1963)
В начале шестидесятых уже существовали достаточно развитые аппаратные средства для компьютерной графики: векторные мониторы, компьютерные перья, да и производительность компьютеров была уже достаточно высока. Но на тот момент не существовало программ, которые позволяли бы неспециалистам в области вычислительной техники (инженерам, художникам) эффективно работать с компьютером.
Одной из революционных разработок в области компьютерной графики стала программа Sketchpad. Эта программа была разработана Айвеном Сазерлендом в 1963 году в ходе написания докторской диссертации, которая позже, в 1988 году получила премию Тьюринга.
Успехом этой программы может служить, например тот факт, что построение шестиугольной сетки из 900 шестиугольников заняло лишь час, в то время, как профессиональным чертежникам потребовалось бы два дня.
Программа Sketchpad стала прародительницей всех современных CAD-систем, а также серьезным прорывом в области компьютерной графики вообще. Программа имела пользовательский интерфейс и использовала объектно-ориентированный подход в представлении геометрических данных. Например, в ней широко использовалось понятие объекта и экземпляр объекта. Кроме того, программу можно было использовать как в технических, так и в художественных целях.
Программа позволяла рисовать линии и окружности, выделять отдельные объекты, объединять в группы, трансформировать и удалять.
Рис. 3. Sketchpad в работе
Программа запускалась на компьютере Lincoln TX-2 c 64k 36-битных слов. Компьютер был оснащен ЭЛТ-монитором, световым пером и клавиатурой.
Следует отметить, что Sketchpad на тот момент был не единственным образцом систем проектирования. В 1959 году, «Дженерал моторс» и IBM разрабатывали систему проектирования DAC-1 (Design Augmented by Computer) ориентированную на IBM 360 оснащенную графическим терминалом IBM2250. По некоторым возможностям эта система превосходила Sketchpad, например позволяла рисовать кривые любой сложности, а не только дуги окружностей. Но она не была полностью интерактивной: оператору приходилось либо явно описывать кривые, либо заносить чертежи с помощью специальной камеры. Оператор лишь мог оперировать частями изображения.
Xerox Alto (1973)
Xerox Alto — компьютер, разработанный в исследовательском центре Xerox PARC в 1973 году. Это первый в мире компьютер, использующий метафору «рабочего стола» и графический пользовательский интерфейс. Xerox Alto был первым полностью персональным компьютером в современном понимании, хотя некоторые другие, более ранние системы (например, учебный компьютер Kenbak-1 или программируемый терминал Datapoint 2200) также отчасти подходят под этот термин. Кроме того, Alto был исследовательским прототипом, а не коммерческим продуктом. Предполагалось, что Alto станет серийно производимой машиной, но она так и не была поставлена на поток. Тем не менее, в общей сложности было произведено несколько тысяч Alto, большая часть которых использовалось в самом Xerox PARC и различных университетах.
Разработка компьютера началась в 1972 году с документа, написанного Батлером Лэмпсоном. В разработке также участвовали Эд МакКрайт (Ed McCreight), Чак Такер (Chuck Thacker), Боб Спроул (Bob Sproull) и Дейв Богг (Dave Bogg).
Xerox Alto имел 128 КБ оперативной памяти, расширяемой до 512 КБ, жёсткий диск со сменным картриджем на 2,5 МБ, все части размещались в блоке размером с небольшой холодильник. Центральный процессор компьютера представлял из себя (на то время) очень прогрессивный процессор с поддержкой микрокода, который использовался для большинства функций ввода/вывода.
Для вывода графической информации использовался монохромный монитор исполненный в нетрадиционной портретной ориентации. Компьютер был также оснащён трехкнопочной мышью, клавиатурой и сетевой картой, использующей разработанный в Xerox PARC протокол Ethernet.
Все мыши, использовавшиеся с Alto, были трёхкнопочными. Первая мышь была механической, с двумя колёсами, поставленными перпендикулярно друг другу. Вскоре эта модель была заменена на мышь с шариком, изобретённая Биллом Инглишем (Bill English). Позже, появилась оптическая мышь, сначала использовавшая белый свет, а затем — инфракрасное излучение. Кнопки на первых мышах были расположены друг над другом, а не друг рядом с другом, как это принято сейчас.
Рис. 4: Xerox Alto
Первые программы для Alto были написаны на языке программирования BCPL, затем использовался язык Mesa, который не получил широкого распространения за стенами PARC, но оказал влияние на некоторые более поздние языки, например, Modula. На клавиатуре Alto отсутствовала клавиша подчёркивание, которая была приспособлена для символа левой стрелки, который использовался в языке Mesa в качестве оператора присваивания. Эта особенность клавиатуры Alto могла быть причиной появления стиля именования идентификаторов CamelCase. Другой особенностью Alto была возможность для пользователя программировать непосредственно микрокод процессора.
Несмотря на сравнительно небольшой объём оперативной памяти, для Xerox Alto были разработаны и использовались программы с графическими меню, пиктограммами и другими элементами, ставшими привычными лишь с появлением операционных систем Mac OS и Microsoft Windows. Для Xerox Alto были разработаны текстовые процессоры Bravo и Gypsy, работавшие по принципу WYSIWYG, редакторы графической информации (растровых изображений, печатных плат, интегральных схем и др.), первая версия среды Smalltalk, и одна из первых в мире сетевых многопользовательских игр — Alto Trek.
Игры
Компьютерные игры – это род электронных игр, которые включает в себя взаимодействие игрока с пользовательским интерфейсом и генерацию изображения, которое служит обратной связью, на видеоустройстве.
Изначально игры быль лишь развлечением специалистов, но позже превратились в индустрию с огромными оборотами, сопоставимыми с кино и телевидением.
NIMROD (1951)
Ним — математическая игра,
в которой два игрока по очереди вынимают предметы из кучек. За один ход может быть взято любое количество предметов (большее нуля) из одной кучки. В стандартном варианте игры выигрывает тот, кто берёт последний предмет, а число кучек равно трём.
Специально для этой игры в 1951 был создан компьютер, названный NIMROD. Разработка преследовала целью не развлечение, а демонстрации того, как может работать компьютер. Информация о ходе игры выводилась на лампы, а ввод данных о ходе игрока осуществлялся посредством клавиатуры.
Рис. 5. Компьютер для игры в ним.
OXO (1952)
Игра “OXO” –
компьютерная игра. Была разработана Александром Сэнди Дугласом как иллюстрацию к его докторской диссертации по теме взаимодействия человека и ЭВМ в 1952 году.
В OXO человек играл против компьютера, выставляя крестик или нолик в нужную клетку поля с помощью дискового набирателя. Символ и очередность хода выбирались игроком до начала игры.
Результат отображался на ЭЛТ-мониторе разрешением 35х16 пикселей.
Игра не получила широкого распространения, т.к. запускалась она на компьютере EDSAC, который был в Кембриджском университете в единственном экземпляре и использовался он для симуляции комплексов ПВО.
Рис. 6. "OXO"
Tennis for Two (1958)
«Теннис для двоих» – одна из первы
х компьютерных игр с пользовательским интерфейсом; первая многопользовательская игра. Была разработана физиком Уильямом Хигинботамом в 1958 для того, чтобы развлекать посетителей Брукхейвенской национальной лаборатории.
Осенью в Брукхейвенской лаборатории проходили дни открытых дверей. Хигинботам, глава приборостроительного отдела, знал, что толпу посетителей-неспециалистов сложно заинтересовать фотографиями и другими статичными экспонатами. У него возникла идея создать электронную игру. На экране осциллографа изображались в вертикальном разрезе теннисный корт с сеткой и движущийся мяч. Два игрока при помощи игрового пульта с Paddle перебрасывали мяч через сетку. Ни игроки, ни ракетки на экране не изображались.
Игра была реализована на АВМ. Хигинботам разработал электронные схемы для игры; лаборант Роберт Дворжак проводил окончательную сборку.
«Tennis for Two» оказалась исключительно популярным экспонатом, однако Хигинботам в то время не осознал значимость своего изобретения, и поэтому не попытался запатентовать игру. Несмотря на популярность, игра просуществовала менее двух лет. После дней открытых дверей 1959 «Tennis for Two» была разобрана, а осциллограф и АВМ пущены на другие нужды лаборатории.
Позже, эта игра вдохновила разработчиков из Atari на создание игры Pong.
Рис. 7. Внешний вид компьютера для игры в Tennis For Two
Spacewar! (1961)
Игра “Spacewar!” была разработана Стивом Расселом в 1962 году на базе компьютера DEC PDP-1.
Игровой процесс заключался в том, что два игрока управляют соответственно двумя космическими кораблями “The Needle” и “The Wedge” в поле гравитации звезды и пытаются уничтожить друг друга путем пуска ракет. При этом корабли имели ограничение по кол-ву ракет и по кол-ву топлива.
Игра “Spacewar!” вдохновила многих разработчиков на усовершенствование и разработку новых вариантов этой игры и портирование на другие платформы.
Рис. 8. Компьютер DEC-1 для игры “Spacewar!”
Galaxy Game (1971)
Galaxy Game – первый в мире игровой автомат, был установлен в Стэндфордском университете. Двумя месяцами позже стал массовым игровым автоматом. Игра была создана Биллом Питом и Хью Таком. Игровой автомат базировался на компьютере DEC PDP-11 оснащенным векторным дисплеем.
Стоимость аппаратной части составляла 20 тысяч долларов. Каждый сеанс игры продолжительностью 1 минуту стоил 10 центов. Автомат такого типа были популярны до 1979 года. В 1997 году один из образцов был восстановлен и помещен в Калифорнийский Музей Истории Компьютеров.
Magnavox Odyssey (1972)
Magnavox Odyssey — первая в мире домашняя игровая приставка. Разработана Ральфом Баером. Работа началась в 1966 году, а первые игры (футбол, теннис, волейбол) появились в 1968 году. В 1969 году Р. Байер подписал контракт с фирмой Magnavox, и в 1972 году приставка появилась на прилавках магазинов. Стоимость составляла чуть менее 100 долларов.
Приставка содержала 40 транзисторов и 40 диодов. Игры поставлялись в виде специальных карт которые содержали перемычки между выводами, которые при подключении соединяли различные генераторы расположенные внутри приставки. В комплекте с играми шли также накладки для экранов телевизоров.
Управление производилось с помощью двух манипуляторов. На каждом из манипуляторов находилось по два диска, расположенных с разных боков – левый диск отвечал за перемещение по горизонтали, правый — по вертикали. Кроме стандартных манипуляторов, поставляемых в комплекте с консолью, можно было купить и использовать световой пистолет Shooting Gallery.
Всего для приставки было выпущено 28 игр на 11 картриджах с номерами от 1 до 12, исключая картридж №11. Картридж №11 стал своего рода легендой и ходило немало слухов о том, существовал ли он вообще и что за игра должна была на нем быть.
Позже было выпущено несколько улучшений и клонов этой приставки.
Рис. 9. Приставка Magnavox Odyssey
Atari 2600 (1977)
Atari VCS, позже предыдущего названная Atari 2600 появилась на Рождество 1977 и стала доминирующей игровой приставкой конца 1970-х — начала 1980-х. Она стала первой успешной приставкой с играми на картриджах. В 1980-х в США слово «Atari» воспринималось как синоним «Atari 2600». Модель обычно поставлялась с двумя джойстиками либо двумя paddle-контроллерами, и одной игрой — сначала это была Combat, а затем Pac-Man.
В отличие от приставок первого поколения, Atari 2600 имела настоящий центральный процессор – MOS Technology 6507. Кроме него на приставке была установлена чип телевизионного интерфейса собственной разработки и модуль ввода/вывода MOS 6532. В качестве носителя игр выступали картриджи – специальные модули памяти, предназначенные только для чтения, хотя изначально использование картриджей не предполагалось. Объем памяти составлял 128 байт, чего в прочем, хватало для стека и для хранения состояния игрового мира. Объем используемой памяти в картриджах составлял 4 кб.
Рис. 10. Atari 2600 Jr
Стоимость разработки составил 100 миллионов долларов. Каждая приставка продавалась по цене 199 долларов. К моменту выпуска приставки было разработано 9 игр.
Однако пользователи не были удовлетворены возможностями приставки, и продажи шли весьма плохо – за два года было продано лишь 500 тысяч экземпляров. Главным образом по причине однообразия игр – все игры на тот момент были клонами пинг-понга. И тут приставка проявила свои исключительные качества и скрытые возможности. Программисты научились выжимать из приставки максимум возможностей, и даже создатели удивлялись ее возможностям.
Приставка продавалась вплоть до 1983 года, однако к тому времени наступил кризис индустрии видеоигр, главным образом по причине агрессивной политики производителей домашних компьютеров, таких как Commodore и Apple.
Для Atari 2600 было выпущено порядка 600 игр. Даже, после того как выпуск приставок прекратился, выпускались любительские игры, а также были создано множество эмуляторов этой приставки для персональных компьютеров.
Заключение
Данный реферат охватывает лишь период с конца 50-х годов по середину 70-х и показывает этапы превращения игр и компьютерной графики из некоторого рода развлечения специалистов и академиков в индустриальные отрасли.
Список литературы
-
Boyne, Walter J. "The Rise of Air Defense" from the December 1999 issue of Air Force Magazine
-
Sutherland, Ivan Edward, preface by Alan Blackwell and Kerry Roddenphone (September 2003). "Sketchpad: A Man-Machine Graphical Communication System" (PDF). Technical Report No. 574, University of Cambridge, UCAM-CL-TR-574. http://www.cl.cam.ac.uk/techreports/UCAM-CL-TR-574.pdf. Retrieved on 2007-11-03.
-
Alto User Handbook http://www.bitsavers.org/pdf/xerox/alto/AltoUsersHandbook.pdf
-
Nimrod http://www.goodeveca.net/nimrod/
-
Winter David «DavidNoughts And Crosses - The oldest graphical computer game» http://www.pong-story.com/1952.htm
-
«The First Video Game?» http://www.bnl.gov/bnlweb/history/higinbotham.asp
-
Graetz, J.M., «The Origin of Spacewar» http://www.wheels.org/spacewar/creative/SpacewarOrigin.html
-
Bill Pitts., «The Galaxy Game» (1997) http://infolab.stanford.edu/pub/voy/museum/galaxy.html
-
Magnavox Odyssey - First home video game console http://www.pong-story.com/odyssey.htm
-
Tekla E. Perry and Paul Wallich «Design case history: the Atari Video Computer System» http://www.atarimuseum.com/videogames/consoles/2600/Atari_case_history.html
