Γραφικά υπολογιστών

Η «τσαγιέρα», ως παράδειγμα τρισδιάστατου μοντέλου αντικειμένου, έχει καθιερωθεί στην επιστημονική έρευνα επί των γραφικών από τη δεκαετία του 1970.

Τα γραφικά υπολογιστή, ή απλώς γραφικά (αγγλικά: computer graphics), είναι επιστημονικός κλάδος της πληροφορικής που ασχολείται με τη θεωρία και την τεχνολογία αλγοριθμικής σύνθεσης εικόνων σε ηλεκτρονικό υπολογιστή. Πρόκειται για εικόνες και ταινίες που δημιουργούνται με τη χρήση του υπολογιστή, συγκεκριμένα πρόκειται για δεδομένα εικόνας που δημιουργούνται με τη βοήθεια ειδικών γραφικών προγραμμάτων και εργαλείων.

Κατά κανόνα, στα γραφικά υπολογιστών η είσοδος των υπολογισμών είναι συμβολικές περιγραφές της οπτικής σκηνής και η έξοδος ψηφιακές εικόνες ή βίντεο, με ή χωρίς αλληλεπίδραση με τον χρήστη. Τα γραφικά υπολογιστών έχουν μεγάλη ποικιλία εφαρμογών, για παράδειγμα: στις γραφικές διεπαφές χρήστη (GUI), στα βιντεοπαιχνίδια, στην εικονική πραγματικότητα, τη διαφήμιση, τις ταινίες, τα κινούμενα σχέδια, και στην οπτικοποίηση δεδομένων. Επίσης, εφαρμόζονται στην εικονογράφηση εντύπων, στην αρχιτεκτονική σχεδίαση, στη δημιουργία λογοτύπων, αλλά και, ευρύτερα, στη δημιουργία ακριβέστατων σχεδίων.

Λογισμικό

Για την εισαγωγή, δημιουργία και επεξεργασία των γραφικών υπολογιστών χρησιμοποιείται λογισμικό επεξεργασίας εικόνας και τρισδιάστατης μοντελοποίησης. Έτσι, δημιουργούνται γραφικά απεικόνισης διαφόρων σχέσεων - όπως χαρτών και ειδώλων δύο ή τριών διαστάσεων - με τη χρήση τελειών, γραμμών, καμπυλών κλπ. Τα κατάλληλα στοιχεία μπορούν να εισαχθούν στον υπολογιστή μέσω συσκευών ψηφιοποίησης, (όπως ένας σαρωτής (scanner) ή μια ψηφιακή φωτογραφική μηχανή), ή μέσω του πληκτρολογίου και του ποντικιού. Όταν παρουσιασθεί το αποτέλεσμα στην οθόνη, ο χρήστης μπορεί να το χειριστεί μετακινώντας το οριζοντίως και καθέτως ή περιστρέφοντάς το, να το επεξεργαστεί ή να το προεκτείνει με την χρήση ποντικιού ή πιο εξειδικευμένων περιφερειακών συσκευών (π.χ. φωτογραφίδας (light pen) ή μολυβιού με σφαιρίδιο). Ορισμένοι τύποι λογισμικού, όπως τα λογιστικά φύλλα, διαθέτουν τη δυνατότητα δημιουργίας και στοιχειώδους επεξεργασίας γραφικών παραστάσεων, ενσωματώνοντας κατάλληλους αλγορίθμους. Η πιο προηγμένη επεξεργασία όμως απαιτεί κατάλληλο, ξεχωριστό λογισμικό.

Τύποι γραφικών υπολογιστών

Τα γραφικά υπολογιστών μπορούν να διακριθούν σε κατηγορίες, αναλόγως με κάποιο κριτήριο:

Με βάση το πλήθος των διαστάσεων οι οποίες συμμετέχουν στην απεικόνισή τους:

• Δισδιάστατα (2D) γραφικά υπολογιστών
• Τρισδιάστατα (3D) γραφικά υπολογιστών

Με βάση τη χρονική στιγμή κατά την οποία λαμβάνει χώρα η απόδοσή τους (rendering):

• Στατικά γραφικά υπολογιστών
• Γραφικά υπολογιστών πραγματικού χρόνου

Δισδιάστατα (2D) γραφικά υπολογιστών

Παράδειγμα απαρχαιωμένων δισδιάστατων, αλληλεπιδραστικών γραφικών από βιντεοπαιχνίδι.

Τα δισδιάστατα γραφικά υπολογιστών αποτελούν προσπάθειες απεικόνισης γραφικών δύο διαστάσεων στην οθόνη μιας ψηφιακής συσκευής (π.χ. ενός υπολογιστή). Συνήθως, τέτοια γραφικά χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία γραφικών διασυνδέσεων χρήστη (GUI), αλλά και για εικονογραφήσεις βιβλίων, περιοδικών και λοιπών εντύπων. Μετά τη σύνθεσή τους, αποθηκεύονται σε ψηφιακά αρχεία εικόνας και η περαιτέρω επεξεργασία τους παύει να αποτελεί αντικείμενο του πεδίου των γραφικών, απασχολώντας πλέον την ψηφιακή επεξεργασία εικόνας.

Τα δισδιάστατα γραφικά μπορούν να διαμεριστούν στις εξής δύο μεγάλες κατηγορίες:

• Διανυσματικά γραφικά (Vector Graphics): Χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία εικόνων όπως λογότυποι, σήματα κατατεθέντα κτλ. αλλά και ψευδοτριδιάστατων σχημάτων (προοπτική). Αποθηκεύονται ως μαθηματικοί τύποι αναλυτικής γεωμετρίας οι οποίοι περιγράφουν γεωμετρικά σχήματα, επομένως δεν ισχύει σε αυτά η έννοια της ανάλυσης εικόνας και μπορούν να μεγεθυνθούν / σμικρυνθούν χωρίς απώλεια ποιότητας.

• Γραφικά ψηφίδων (Bitmap Graphics): Όλα τα γραφικά που δημιουργούνται από ψηφιοποίηση υπαρκτών αντικειμένων (φωτογραφίες, εικόνες από σαρωτές κτλ.) ανήκουν σε αυτή την κατηγορία. Τα γραφικά ψηφίδων λειτουργούν όπως ακριβώς ένα ψηφιδωτό: όσο μικρότερες και περισσότερες ψηφίδες χρησιμοποιούνται (μεγαλύτερη ανάλυση), τόσο πιο ευκρινές και ακριβές είναι το τελικό αποτέλεσμα. Η ανάλυση μετράται σε κουκκίδες (ψηφίδες) ανά ίντσα (dots per inch, dpi). Για μια οθόνη, η ανάλυση των 72 ή 96 dpi είναι επαρκέστατη, αν όμως η εικόνα προορίζεται για επαγγελματική εκτύπωση, το ελάχιστο απαιτούμενο είναι οι 300 dpi. Η απώλεια ποιότητας κατά τη μεγέθυνση μίας ψηφιογραφικής εικόνας είναι αντιστρόφως ανάλογη της ανάλυσής της. Επειδή οι οθόνες όπου τα γραφικά προβάλλονται χαρακτηρίζονται από τη δική τους ανάλυση, μία εικόνα με ανάλυση πολύ μικρότερη από της οθόνης πρέπει να προβληθεί σε μικρές διαστάσεις για να μη φαίνεται θολή και χωρίς ευκρίνεια.

Ένα ακόμη χαρακτηριστικό των γραφικών είναι το βάθος χρώματος, δηλαδή το πλήθος των δυαδικών ψηφίων (bits) που χρησιμοποιούνται για την περιγραφή του χρώματος κάθε ψηφίδας (ή κάθε περιοχής στα διανυσματικά γραφικά). Το σημερινό πρότυπο είναι για μεν τις οθόνες βάθος χρώματος 24 bits, ενώ για τις εκτυπώσεις 32 bits (η οθόνη και η εκτύπωση χρησιμοποιούν διαφορετικά χρωματικά πρότυπα). Υπάρχουν και γραφικά με μεγαλύτερο βάθος χρώματος, που προορίζονται για ειδικές χρήσεις, καθώς το ανθρώπινο μάτι δεν μπορεί να διακρίνει περισσότερα από 16,7 εκατομμύρια χρωματικές διαβαθμίσεις.

Για τις εφαρμογές του Διαδικτύου χρησιμοποιούνται συνήθως γραφικά ψηφίδων, γιατί τα διανυσματικά γραφικά δεν υποστηρίζονται από παλαιότερες εκδόσεις φυλλομετρητών που χρησιμοποιούνται ακόμα από σχετικά μεγάλο ποσοστό των χρηστών του Διαδικτύου.

Ο τύπος των γραφικών αναγνωρίζεται συνήθως από την επέκταση του ονόματος του αρχείου, στο οποίο είναι αποθηκευμένα (δηλ. το τμήμα εκείνο του ονόματος που βρίσκεται δεξιά από την τελεία που χωρίζει στα δύο το όνομα ενός αρχείου). Οι πλέον συνήθεις τύποι είναι:

• Διανυσματικά γραφικά: .svg, .cdr, .ai

• Γραφικά ψηφίδων: .tif, .bmp, jpg, .gif, .png (Οι τρεις τελευταίοι τύποι είναι οι κατάλληλοι για το Διαδίκτυο).

Τρισδιάστατα (3D) γραφικά υπολογιστών

Παράδειγμα απόδοσης σκηνής τρισδιάστατων γραφικών σε ηλεκτρονικό υπολογιστή.

Τα τρισδιάστατα γραφικά υπολογιστών αποτελούν προσπάθειες απεικόνισης γραφικών τριών διαστάσεων στην - δύο διαστάσεων - οθόνη μιας ψηφιακής συσκευής (π.χ. ενός υπολογιστή). Το γεγονός ότι η απεικόνιση χρησιμοποιεί τρεις διαστάσεις τα καθιστά πολύ ρεαλιστικά. Η λειτουργία τους στηρίζεται στη χωρική περιγραφή τρισδιάστατων αντικειμένων μέσω σημείων και μαθηματικών τύπων, σε κάποιο σύστημα συντεταγμένων, και στην προβολή ακολούθως των συντεταγμένων των σημείων τους σε δύο διαστάσεις κατά τη φάση της απόδοσης. Τέτοιου είδους γραφικά χρησιμοποιούνται συνήθως από προγράμματα όπως τα παιχνίδια υπολογιστών και οι εικονικοί κόσμοι. Τα τρισδιάστατα γραφικά βρίσκουν επίσης εφαρμογή στον κινηματογράφο, για τη σύνθεση σκηνών εικονικών κόσμων (χαρακτηριστικό παράδειγμα οι ταινίες του κύκλου Ο Άρχοντας των Δαχτυλιδιών) και για την υλοποίηση ειδικών εφέ μέσω της σύγχρονη ψηφιακής τεχνολογίας (αντί για μηχανικά ή προσθετικά εφέ).

Στατικά γραφικά υπολογιστή

Τα στατικά γραφικά υπολογιστών αποτελούν προϋπολογισμένα και προεπεξεργασμένα αντικείμενα γραφικών (συντεταγμένες σημείων και επιφανειών, χρωματισμοί, φωτισμοί και υφές τους) τα οποία δεν αποδίδονται τη στιγμή που προβάλλονται, αλλά έχουν αποδοθεί μία φορά κατά τη δημιουργία τους. Στη συνέχεια, αποθηκεύονται και αναπαράγονται υπό μορφή αρχείου βίντεο, επομένως δεν μπορούν να είναι αλληλεπιδραστικά. Παράδειγμα τέτοιων γραφικών είναι τα μικρά βίντεο, τα οποία εμφανίζονται π.χ. σε βιντεοπαιχνίδια, και τα οποία έχουν «γυριστεί» μια φορά και κάθε φορά που θα τα παρακολουθήσουμε παραμένουν ίδια. Για τη δημιουργία τους χρησιμοποιείται κάποιο κατάλληλο πρόγραμμα δημιουργίας γραφικών και κίνησης (animation) όπως το 3D Studio Max, το Maya, το Lightwave, το Blender, το Cinema4D κτλ.

Γραφικά υπολογιστή πραγματικού χρόνου

Τα γραφικά υπολογιστών πραγματικού χρόνου είναι αντικείμενα γραφικών (συντεταγμένες σημείων και επιφανειών, χρωματισμοί, φωτισμοί και υφές τους) τα οποία αποδίδονται οπτικά κατά τη στιγμή που εκτελείται ένα πρόγραμμα υπολογιστή, κάθε φορά που αυτό συμβαίνει, με εκ νέου εκτέλεση των κατάλληλων εντολών / υπολογισμών από τον επεξεργαστή. Για παράδειγμα, τα γραφικά που εμφανίζονται στην οθόνη ενός υπολογιστή ο οποίος εκτελεί ένα βιντεοπαιχνίδι, ανήκουν συνήθως σε αυτήν την κατηγορία. Για την προβολή τους απαιτείται κάποια μηχανή γραφικών πραγματικού χρόνου, όπως για παράδειγμα η Ogre3D, η Irrlich, το Crystal Space, μηχανές παιχνιδιών (π.χ. Source) κτλ. Τα γραφικά πραγματικού χρόνου μπορούν να είναι και αλληλεπιδραστικά, με τη μηχανή γραφικών να αποκρίνεται κατάλληλα σε εισόδους του χρήστη (π.χ. από περιφερειακά όπως το ποντίκι ή το πληκτρολόγιο), μα αυτό δεν είναι απαραίτητο. Για τον προγραμματισμό τους υπάρχουν διάφορες προτυποποιημένες βιβλιοθήκες, όπως η OpenGL και το Direct3D.

Σχέση με άλλα επιστημονικά πεδία

Σε σχέση με άλλα, συγγενή γνωστικά πεδία, τα γραφικά υπολογιστών διαφοροποιούνται ως εξής:

• Η ψηφιακή επεξεργασία εικόνας εξετάζει αλγορίθμους οι οποίοι δέχονται ως είσοδο εικόνες / βίντεο και παράγουν ως έξοδο εικόνες / βίντεο.
• Τα γραφικά υπολογιστή εξετάζουν αλγορίθμους οι οποίοι δέχονται ως είσοδο συμβολικές περιγραφές οπτικών σκηνών και παράγουν ως έξοδο εικόνες / βίντεο (με ή χωρίς αλληλεπίδραση με τον χρήστη).
• Η μηχανική όραση εξετάζει αλγορίθμους οι οποίοι δέχονται ως είσοδο εικόνες / βίντεο και παράγουν συμβολικές περιγραφές των εν λόγω οπτικών σκηνών.