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Evoluzione storica della Computer Graphics

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Ciao e benvenuto alla lezione numero 2 del corso Computer Graphics.
La conoscenza dell'evoluzione storica è sempre benefica per la comprensione più ampia del soggetto. Così, andremo in un po' di dettagli sull'evoluzione seguito da una discussione sui temi e le sfide.
Nei primi giorni in cui il computer ha appena iniziato a comparire, questo significa negli anni 1940s, 50s del secolo scorso, i display costituivano un terminale, un'unità terminale in grado di mostrare solo caratteri. Così, nei giorni precedenti avevamo display che usavano mostrare solo caratteri, non c'era alcuna struttura o nessun modo per mostrare altro che caratters.SubSuccessivamente, è stata introdotta la possibilità di mostrare immagini 2D complesse, ovvero gli sviluppi successivi. Ora, con l'avvento della tecnologia altre cose sono cambiate: ora abbiamo memoria superiore, capacità e velocità di processore incrementate. Insieme a quelle modifiche, anche la tecnologia di visualizzazione è migliorata in modo significativo, quindi abbiamo avuto 3 ampi sviluppi, il potenziamento della capacità di memoria, l'aumento della velocità del processore, nonché il miglioramento della tecnologia di visualizzazione.Ora, tutti e 3 hanno contribuito insieme per visualizzare o per rendere possibile la visualizzazione di complesse animazioni 3D che sono computazionalmente intensive e che presuppone che siamo in grado di eseguire i calcoli in tempo reale. Come i computer computazionalmente intensamente questi processi sono, vedremo nella lezione successiva. Infatti, questo è il contenuto principale di questo corse.Ora, se guardiamo più vicini all'animazione 3D, allora vedremo che ci sono 2 aspetti, uno è sintetizzabile di frame e il secondo è combinare i frame insieme e renderli in modo tale da generare una percezione di movimento o genera gli effetti di movimento. Ora, la sintesi di cornice oltre a combinarle e renderle sullo schermo per generare movimento sono processi complessi e sono anche intensi di risorse.
Richiedono molte risorse hardware. Ecco, questi sono i principali focali delle attività di computer grafica di oggi, come rendere il computer questi processi praticabili nel modernissimo ambiente di calcolo. Ora, stiamo ripetutamente parlando del termine computer graphics ma ha un'origine. Così, il termine è stato coniato per la prima volta da William Fetter della Boeing Corporation nel 1960. Ovvero 60 anni fa.
Successivamente, Sylvan Chasen di Lockheed Corporation nel 1981 ha proposto 4 fasi di evoluzione del campo. Quali sono quelle fasi? La fase era concetti di nascita che tipicamente si considera tra il 1950 e il 1963. Questo è anche noto come la gestazionale

periodo. La seconda fase è la fase d'infanzia di breve durata da 64 a 70 nel secolo scorso, poi abbiamo l'adolescenza, questa è di nuovo una fase alquanto significativa e si estende tra il 1970s alla fase iniziale del 1980s e poi abbiamo l'età adulta che sta ancora continuando a partire dai primi anni ' 1980s.
Ecco, queste sono le 4 fasi proposte da Sylvan Chasen nel 1981, periodo gestazionale, infanzia, adolescenza e età adulta. Ora, facciamo un rapido sguardo ai principali sviluppi che si sono svolti in ognuna di queste fasi ..
Partiamo dalla prima fase che è il periodo gestazionale tra il 1950 e il 1963 nelle prime fasi dei computer. Ora, se si è a conoscenza dell'evoluzione dei computer nelle fasi iniziali, allora si sa che, quella fase il periodo gestazionale coincide anche con le fasi iniziali di sviluppo della tecnologia di calcolo stessa. Allora, quella era la fase in cui la tecnologia si è evoluta.
E oggigiorno diamo per scontato la disponibilità di interfacce che sono popolarmente conosciute come interfacce utente grafiche. Quindi, lo vediamo su tutti i nostri schermi dei computer perlopiù, se usiamo desktop, laptop o anche smartphone. Ma in quella fase, nel periodo gestazionale, il concetto di GUI non c'era. Anzi, nessuno era nemmeno a conoscenza della possibilità di una simile interfaccia, non poteva essere immaginato nemmeno. Ora in quella fase c'era un sistema sviluppato che si chiamava SAGE, che spicca per Semi automatico, Semiautomatic Ground Environment. Ora, è sviluppato da o per il beneficio dell'US Air Force, che fa parte di un progetto più grande chiamato Whirlwind, avviato nel 1945. Ora, il sistema SAGE è un esempio precoce da questa fase di gestazionale che dimostra l'utilizzo della computer grafica.
Ciò che questo sistema fa o cosa ha fatto questo sistema, ora l'idea di base del progetto era quella di ottenere le informazioni di posizionamento di un aeromobile dalle stazioni rube che tipicamente è la rete radar del lavoro. Ora c'è un operatore che piace a questo operatore qui, che era seduto davanti a uno schermo, come potete vedere, ma non gli schermi tradizionali che siamo abituati ma la versione anticipata di uno schermo.
E su questo aeroplano di schermo sono mostrati e sull'aereo altri dati, i dati ricevuti dal radar sono stati sovrapposti. Quindi, essenzialmente quello che abbiamo è che sullo schermo viene mostrata una regione geografica e su quella regione vengono mostrate le informazioni sugli aerei.
C'era più un aspetto in più del sistema. Quindi, in realtà era in un sistema interattivo di senso, quindi l'operatore può effettivamente interagire con il sistema con l'utilizzo di un dispositivo di input chiamato leggera pistola o penna, penna leggera. Ora, se c'è un aereo mostrato sullo schermo, l'operatore può puntare la penna a quel velivolo per ottenere le informazioni di identificazione dell'aereo.
Così, quando la pistola è stata puntata sul simbolo del piano sullo schermo un evento è stato inviato al sistema Whirlwind che a sua volta ha inviato i dettagli come testo sul piano o sulle informazioni di identificazione del piano che è stato poi visualizzato sullo schermo dell'operatore. Una cosa del genere. Come potete vedere questa è una pistola leggera o leggera, l'operatore punta la penna sullo schermo dove viene mostrato un simbolo dell'aereo e una volta che il puntamento è fatto, poi il sistema invia un messaggio al sistema complessivo, Whirlwind system che ha avuto tutte le informazioni, che viene rimandato all'interfaccia che deve essere visto dall'operatore. Così come ho detto, il sistema SAGE che fa parte del sistema Whirlwind aveva tracce di grafica interattiva, dove l'interazione è stata fatta con la pistola leggera o con le penne luminose, ma non era ancora del tutto interattiva il modo in cui comprendiamo l'interazione nel contesto moderno. Vero potenziale della grafica informatica interattiva è entrato in scena dopo lo sviluppo di un altro sistema chiamato Sketchpad da Ivan Sutherland nel 1963.
Così, questo sistema Sketchpad faceva parte delle tesi di dottorato di Ivan Sutherland al MIT. E questo sistema ha effettivamente dimostrato l'idea così come il potenziale di un sistema di grafica interattiva. Come il sistema SAGE anche in Sketchpad, l'interazione è stata fatta attraverso la penna leggera e si è trattato di sviluppare disegni di ingegneria direttamente su uno schermo CRT. Quindi, qui l'operatore non ha bisogno di un provider di input passivo invece l'input attivo può essere dato in forma di creazione di disegni stessi sullo schermo. Un esempio viene mostrato in questa figura come si può vedere, questo è lo schermo e sullo schermo l'operatore tiene la penna leggera per creare un disegno qui.
Ora questo sistema Sketchpad contiene in realtà molte conferme. È ampiamente considerata la prima GUI, sebbene il termine GUI non fosse ancora popolare in quel momento, è anche accreditato con pionieristica diversi concetti di calcolo grafico ovvero come rappresentare i dati in memoria, come affrontare le linee flessibili, la capacità di zoomare dentro e fuori, disegnare linee perfettamente rette, angoli, articolazioni.
Queste sono cose che oggigiorno diamo per scontate ma queste erano molto, molto difficili al momento e gli sketchpad effettivamente sono riusciti a dimostrare che questi sono possibili.
Di conseguenza, Sutherland è ampiamente riconosciuto da molti come il nonno della grafica informatica interattiva. Ora insieme a SAGE e Sketchpad, questo periodo, il periodo gestazionale ha visto anche lo sviluppo di molti altri sistemi influenti.
Durante questo primo gioco di computer chiamato Spaceware è stato sviluppato nel 1961 su una piattaforma PDP-1 che è una piattaforma di calcolo anticipato. IBM ha sviluppato anche il primo sistema CAD o Computer Aided Design, riraccogliere la nostra precedente lezione questi sistemi sono destinati ad aiutare gli ingegneri a creare disegni meccanici e testare varie cose senza richiedere realmente di costruire il sistema. E nel periodo gestazionale, IBM si è avvicinata a questo primo sistema CAD nel 1964 sebbene il lavoro sia iniziato nel 1959. Ora, il periodo gestazionale è stato seguito dal periodo dell'infanzia, che è di durata ragionevolmente breve solo di 6, 7 anni. Ora, in questo periodo ormai molto significativamente nuove cose accadono solo qualunque cosa sia stata sviluppata prima nel periodo gestazionale, ulteriori sviluppi si sono svolti lungo quelle linee e il consolidamento ha avuto luogo delle idee precedenti.
Poi è arrivato il periodo adolescenziale, perlopiù confinato nella fase 1970s e precoce del 1980s.
Ora, in questa fase di nuovo, succedono molte cose nuove, nel 1971 Intel ha rilasciato il primo microprocessore commerciale chiamato il 4004. Ora, come tutti sappiamo, con la venuta di questo microprocessore, un cambio di paradigma è stato inserito nel modo in cui i computer sono stati progettati e che a sua volta hanno impattato il campo della grafica informatica in modo significativo rendendo le elaborazioni meno costose e convenienti. Di conseguenza, in questo periodo sono successe diverse cose interessanti, principalmente due tipi di sviluppi, si tratta di tecniche per una grafica 3D realistica e diverse applicazioni sono state sviluppate durante questa fase particolarmente nei campi di intrattenimento e cinematografico. A seguito di quelle applicazioni, le persone hanno iniziato a notare le potenzialità del campo e hanno investito sempre più tempo e denaro così, tanto che lo sviluppo era significativo nel contesto dell'evoluzione complessiva del campo. Ora, quali sono state le opere fatte per una generazione di immagini realistiche e 3D? Un importante sviluppo è stato il lavoro sui modelli di illuminazione. Ora, questi modelli impareremo più tardi. Quello che questi modelli erano destinati a fare, erano di assegnare colori a pixel e questa colorazione di pixel o di unità grafiche più piccole su uno schermo è molto importante per darci una percezione di immagini realistiche come tutti sappiamo. E vedremo nei dettagli nelle lezioni successive. A parte questo, un'altra cosa è avvenuta che è lo sviluppo di tecniche di mappatura delle texture, ora la consistenza è fondamentalmente pattern che riusciamo a vedere sulle superfici. Quindi, se possiamo imporre delle texture sulle nostre superfici oggetto create artificialmente, allora sicuramente questo ci porterà ad una rappresentazione dell'immagine più realistica e che lo sviluppo è avvenuto in questo periodo adolescenziale.
Così, il primo lavoro è stato fatto da Catmull nel 1974. La prima opera degna di nota, come potete vedere, che su questo oggetto vengono mostrate alcune texture, per questo, siamo in grado di far capire che si tratta di un oggetto 3D e che sta avendo determinate caratteristiche. Quindi, senza consistenza, sembrerà noioso e non realistico. Una forma avanzata di mappatura texture è stata effettuata tramite Bump mapping da Blinn nel 1978. Come l'esempio mostrato qui, sulle superfici oggetto possiamo vedere che quel tipo di texture speciale è stato incorporato, inserito per renderlo più reale, naturale. Questi si chiamano bumps, Bump mapping.
Anche un altro sviluppo è avvenuto che è una tecnica avanzata di creazione di immagini 3D che si chiama Ray Tracing e primo sviluppo notevole è avvenuta nel 1980s nel periodo adolescenziale, utilizzando questa tecnica, possiamo sviluppare immagini 3D realistiche su uno schermo 2D, in modo più migliore che usare le altre tecniche. Ecco, queste sono tecniche sviluppate per migliorare la qualità delle immagini sintetizzate, per renderle più realistiche, più naturali.
Per cui, per ricapitolarsi, in questa fase si sono sviluppati sostanzialmente 4 approcci. La prima è l'illuminazione moderna, il lavoro di base sul modello di illuminazione seguito dal modello texture e dalla modellazione del bump, le mappature dei bug e infine i metodi di tracciamento Ray. A parte questo, come ho accennato in precedenza, un altro filone di sviluppo che si è svolto durante questa fase è stato lo sviluppo di diverse applicazioni di computer graphics, qualunque sia stato lo stato dell'arte in quel momento basato su che sono state sviluppate diverse applicazioni. In particolare nell'intrattenimento e nel cinema.
Così, nel 1973 esce il primo film di nome Westworld, che è stato il primo film ad usare la computer grafica. Questo è stato seguito nel 1977 dal film Star Wars, penso che la maggior parte di voi, se non tutti, potrebbe essere a conoscenza di questo film. Così, il primo film è uscito nel 1977 ed è diventato enormemente popolare in tutto il mondo e di conseguenza, le persone hanno imparato il potenziale della computer grafica in maniera più comoda.
Il periodo adolescenziale è stato seguito dal periodo dell'età adulta, a partire dalla fase iniziale del 1980s. Ora, in questo periodo, il campo è entrato nell'età adulta con il rilascio di IBM PC nel 1981. Ora come tutti sappiamo, dopo l'avvento del PC o dei personal computer, i computer sono diventati un prodotto di massa, prima si limitava a essere confinato solo a poche persone ben istruite in una fase avanzata di studi e principalmente fa lavori di ricerca o sviluppo che utilizzano questo ma dopo l'avvento del PC proliferano e diventano un prodotto di massa. E siccome era diventato un prodotto di massa, ora si concentrava ora sullo sviluppo di applicazioni che si appellavano alle masse.
E utilizzando computer grafici sono stati sviluppati lotti di tali applicazioni e l'attenzione si è spostata dalla grafica per gli esperti alla grafica per i laici. E di conseguenza, siamo arrivati a vedere diversi sviluppi tra cui lo sviluppo di GUI e i concetti associati. Infatti, tanti sviluppi hanno avuto luogo che ha dato origine a un nuovo campo di studio, che si chiama interazione uomo - computer o HCI in breve.
Una cosa è successa durante questa fase, è emerso un ciclo di sviluppo autosufficiente, che cos' è? Come sempre più sistemi di user friendly emergono, creano sempre più interesse tra le persone, a turno che porta nuovo entusiasmo e investimenti su sistemi innovativi. Quindi, si tratta di un ciclo di sviluppo autosufficiente, sempre più applicazioni ci sono che si appellano a sempre più persone e le persone a turno vogliono sempre di più, sempre più investimenti sono arrivati e ha continuato e continua ancora.
E a seguito di questo ciclo di sviluppo autosufficiente, si sono svolti altri sviluppi associati. Quindi, dalla CPU siamo migrati su GPU o elaborazione grafica, hardware dedicato per la grafica, la capacità di archiviazione è migliorata in modo significativo per poter memorizzare e elaborare una grande quantità di dati necessari per la grafica 3D realistica. Quindi, ora stiamo parlando in termini di terabyte, petabyte, invece di kilobyte o megabyte che prima erano il caso.
Allo stesso modo, la tecnologia di visualizzazione ha visto un enorme miglioramento rispetto ai primi tubi di raggi catodici ai moderni touchscreen o alle pareti situate o anche meglio. Quindi, tutto questo è avvenuto a causa di questo ciclo di sviluppo autosufficiente.
Così, possiamo dire che questi sviluppi tecnologici hanno portato in un cambio di paradigma nel campo e ci troviamo ora in una posizione con l'ausilio di nuove tecnologie per sviluppare algoritmi per generare in tempo reale la grafica 3D fotorealistica. Quindi, tutte queste cose sono importanti e questo formerà il tema centrale della nostra discussione nelle lezioni successive. Ora, notare che tutti questi sono processi intensivi di calcolo e a causa dell'avanzamento nelle tecnologie, tale processo intensivo di calcolo è diventato gestibile, possibile implementare in tempo reale.
E siccome siamo in grado di fare quelle cose ora poi l'appello e l'applicazione della grafica computerizza hanno aumentato il collettore e la presenza di tutti questi fattori implica che il campo sia in crescita e continuerà a crescere nel prossimo futuro. Quindi, ecco in breve l'evoluzione del campo, 4 fasi a partire dal periodo gestazionale fino all'età adulta e i maggiori sviluppi abbiamo brevemente discusso.
Ora, spostiamo la nostra attenzione verso un altro aspetto importante del campo che sono quali sono i temi e le sfide che affrontiamo i lavoratori in questo campo?
Ora, nelle fasi formative del campo, la preoccupazione primaria è stata come tutti sappiamo, generazione di immagini 2D o 2D. Ma ancora come abbiamo già discusso che successivamente la grafica modificata e la grafica 2D non è più la zona di spinta e siamo prevalentemente concentrati, oggigiorno siamo prevalentemente concentrati sulla generazione della grafica 3D e dell'animazione.
Nel contesto della grafica e dell'animazione 3D ci sono 3 preoccupazioni primarie legate al software, allo sviluppo software per il sistema. Una è la modellazione che significa essenzialmente creare e rappresentare la geometria degli oggetti nel mondo 3d e qui dobbiamo tenere a mente che non stiamo parlando solo di oggetti geometrici solidi ma anche di alcuni fenomeni come il campare di fumo, pioggia, fuoco, alcuni fenomeni naturali così, come modellare sia gli oggetti che i fenomeni, che è una preoccupazione.
Seconda preoccupazione il rendering, essenzialmente la creazione e la visualizzazione dell'immagine 2D degli oggetti 3D, perché l'immagine 2D? Perché il nostro schermo è 2D quindi dobbiamo convertire gli oggetti 3D in un modulo 2D. Quindi, allora questo rendering si occupa di questioni relative alla visualizzazione degli oggetti modellati sullo schermo e ci sono alcune altre problematiche correlate che riguardano il colore, la colorazione dei pixel sullo schermo, il colore e l'illuminazione che implica la simulazione del processo ottico.
Poi, visibile determinismo superficiale rispetto alla posizione del visualizzatore, pattern testati sulle superfici o sintesi texture al realismo mimetico, 3D alla trasformazione 2D e così via. Ecco, questi sono i temi che ci sono nel rendering. Poi la terza questione, terza grande questione legata al software grafico è l'animazione, descrivendo come l'immagine cambia nel tempo così, di cosa si occupa? Si occupa di trasmettere movimento sugli oggetti per simulare il movimento, quindi, darci una percezione di movimento. Poi le preoccupazioni chiave qui sono la modellazione del movimento e l'interazione tra gli oggetti durante il movimento. Quindi, le 3 principali problematiche legate al software sono la modellazione di oggetti, il rendering di oggetti e la creazione di animazioni. Ora, ci sono anche alcune problematiche legate all'hardware.
Perché quelli sono importanti, perché la qualità e il costo della tecnologia di visualizzazione è di grande preoccupazione, perché c'è sempre un tradeoff tra i due, qualità dell'hardware oltre che il costo, quindi non possiamo ottenere alta qualità in basso costo e viceversa.
E pur costruendo un'applicazione di sistema grafico, dobbiamo tenere a mente questo tradeoff. Insieme a quello, dobbiamo tenere a mente la selezione di un dispositivo di interazione appropriato perché oggigiorno si parla di computer grafica interattiva. Quindi, il componente di interazione è importante ed è importante scegliere una modalità appropriata di interazione o dispositivo di input tale che l'interazione appaia intuitiva all'utente. L'utente non deve essere costretto a imparare modelli complessi o operazioni complesse, dovrebbe essere il più naturale possibile.
Infine, anche la progettazione di dispositivi grafici specializzati per velocizza il processo di rendering è di massima importanza. Poiché gli algoritmi grafici sono intensi di calcolo e se possiamo avere hardware dedicato per eseguire quei calcoli, allora possiamo aspettarci prestazioni migliori. Ora, la questione è come progettare tale hardware ad un costo accessibile e che sia di primaria preoccupazione legata alle piattaforme hardware per la computer grafica.
Quindi, dal punto di vista hardware, abbiamo questa qualità dell'hardware oltre che il tradeoff di costo da tenere a mente anche, dobbiamo tenere a mente il tipo di dispositivo di input che stiamo utilizzando così come i sistemi grafici dedicati che possiamo permetterci.