Geschichte der Computergrafik

Die Geschichte der Computergrafik, der computergestützten Erzeugung von Bildern, wurde insgesamt eher von neuen Entwicklungen im Hardware- als im Softwarebereich beeinflusst.James Foley beispielsweise: Computer Graphics: Principles and Practice. Addison-Wesley, Reading 1995, ISBN 0-201-84840-6, S. 8.

In den 1950er-Jahren wurden einige der ersten Computer mit Bildschirmen ausgestattet. In den 1960er-Jahren kamen erste grafische Computersysteme auf den Markt, die aber äußerst kostspielig waren und erst gegen Ende des Jahrzehnts von erschwinglichen Geräten ersetzt wurden. Betriebsfertige Komplettsysteme, die den Anwender von Softwaredetails abschirmten, erschienen in den 1970er-Jahren. Bedeutsame und zum Teil auch heute noch gebräuchliche Rendertechniken wurden entwickelt. In den 1980er-Jahren stieg die Computerleistung derartig an, dass auch PC-Anwender Computergrafiken selbst herstellen konnten. Neben technischen Anwendungen erlangten Multimedia- und andere nichttechnische Anwendungen zunehmende Bedeutung.

1950er: Anfänge Whirlwind und SAGE mini|Eine Konsole des SAGE-Luftraumüberwachungs-systems, die mit einem pistolenförmigen Lichtgriffel bedient wurde

Frühe Computer verwendeten als Ausgabegeräte Fernschreiber und Kettendrucker, mit denen sich Figuren und Diagramme nur sehr grob zeichnen ließen. Der am MIT entwickelte Whirlwind-Computer wird oftmals als Beginn der Computergrafik angesehen.Machover 1994, S. 14. Er verfügte ab 1951 über einen Kathodenstrahlröhren-Bildschirm, der sowohl für den Anwender als auch für Fotoapparate, die das Bild zum späteren Ausdruck aufnahmen, bestimmt war. Außerdem war er mit einem von Bob Everett entwickelten lichtgriffelähnlichen Gerät ausgestattet, mit dem sich direkt auf dem Bildschirm Eingaben machen ließen.

Whirlwind diente als Basis für den Prototyp des Luftraumüberwachungssystems SAGE, das für die US-Luftwaffe entworfen wurde und Radarinformationen interaktiv in Computerdarstellungen umwandelte. SAGE wurde ab 1955 mit Hilfe eines Lichtgriffels bedient: zeigte man damit auf ein Luftfahrzeug, so lieferte das System nähere Informationen.

Erste CAD-Systeme 1951 begann das Forschungslabor von General Motors zu prüfen, welche Rolle künftige CAD-Systeme spielen könnten. IBM stellte das IBM-740/780-System vor, das in Verbindung mit dem IBM-704-Großrechner Punkte oder Linien auf einem Röhrenbildschirm darstellen konnte.

Die Forschungen von General Motors resultierten 1959 im ersten CAD-System,Masson 2007, S. 386. dem DAC-1, das von Don Hart und Ed Jacks in Zusammenarbeit mit IBM entwickelt und erst 1964 der Öffentlichkeit vorgestellt wurde. Dieses bahnbrechende System demonstrierte die Vorteile grafischer Interaktion für den Entwurfsprozess.

Kunst und Unterhaltung 1950 zeichnete der Künstler Ben Laposky mit Hilfe von Oszilloskopen, die von analogen Computern gesteuert wurden, abstrakte Figuren. 1958 entwickelte William Higinbotham eines der ersten Videospiele, Tennis for Two.

1960er: Erste theoretische und kommerzielle Durchbrüche mini|Ausgaben verschiedener Zeichengeneratoren aus den frühen 1960er-Jahren

Mitte der 1960er-Jahre gab es bereits einige Forschungsprojekte und kommerzielle Produkte, die sich mit Computergrafik beschäftigten. Da zu dieser Zeit die Ein- und Ausgabe vor allem über Lochkarten lief, war die Hoffnung groß, dass sich interaktive Benutzerschnittstellen allgemein durchsetzen würden. Vorerst konnten sich jedoch nur wenige Firmen interaktive Computergrafik-Systeme leisten; erst gegen Ende des Jahrzehnts erschienen erschwinglichere Produkte. Nachdem akzeptable Ausgabegeräte verfügbar waren, wurden wieder Softwarefragen laut, da die Computergrafik kompliziertere Datenstrukturen als Arrays und verkettete Listen erforderte.

In den 1960er-Jahren gründeten sich die ersten Verbände von Forschern und Anwendern, die sich mit Computergrafik beschäftigten: Der Society for Information Display 1963 folgte das ACM Special Interest Committee for Computers, das 1969 zur Themengruppe SIGGRAPH wurde. Ein Großteil der US-amerikanischen Forschung auf dem Gebiet der Computergrafik wie auch der Informatik überhaupt wurde durch die ARPA finanziert.

Grafikhardware mini|hochkant=0.8|Tektronix 4014, ein frühes DVST-basiertes grafikfähiges Terminal

Ein größeres Hardwareproblem der frühen 1960er-Jahre war die Frage, wie sich Schriftzeichen und Linien auf einem Bildschirm ausgeben lassen konnten. Zeichengeneratoren waren nicht standardisiert und kosteten 2000 bis 10.000 US-Dollar.Machover 1978, S. 41.

Die ersten Speicherröhren-basierten grafischen Computerterminals kamen 1968 auf den Markt: Das Unternehmen Computer Displays bot die Advanced Remote Display Station und Computek die 400er-Serie an. Beide Geräte basierten auf der Tektronix-611-Speicherröhre und kosteten 12.000 bis 15.000 Dollar.Machover 1994, S. 15. Daraufhin brachte Tektronix mit dem ca. 9000 Dollar teuren T4002A, gefolgt vom 4000 Dollar teuren 4010 eigene Produkte auf den Markt. Diese auf so genannten Direct-View Storage Tubes (DVSTs) basierenden Sichtgeräte konnten eine Grafik anzeigen, ohne dass ein periodisches Neuzeichnen notwendig war. Dreidimensionale Darstellungen waren mit ihnen nicht möglich. Ungeachtet ihrer primitiven Grafik ermöglichten sie zehntausenden von Anwendern den Zugang zur Computergrafik, da vor dem Aufkommen der DVSTs alleine die Hardware von Grafikterminals 50.000 bis 200.000 Dollar gekostet hatte.

In der Folge stiegen weitere Hersteller mit anderen Technologien wie Vektor- und Plasmabildschirmen in dieses vergleichsweise günstige Preissegment ein. Der erste experimentelle Bildspeicher (Framebuffer) für Rastergrafiken wurde 1969 von Bell Laboratories entwickelt.Masson 2007, S. 397. Er verwendete 3 Bit pro Pixel, entsprechend acht Grautönen.

Interaktivität und Benutzerschnittstellen mini|hochkant=0.8|Der Xerox Alto, erster Computer mit grafischer Benutzeroberfläche

Ivan Sutherlands 1963 in seiner Dissertation vorgestelltes Sketchpad-Zeichensystem war ein Meilenstein in der Geschichte der interaktiven Computergrafik. Dieses Programm erlaubte es, einzelne Zeichnungen als Vorlagen zu speichern und hierarchisch aufzubauen, sodass man eine Zeichnung aus bereits vorhandenen „Modulen“ zusammensetzen konnte. Sutherland führte außerdem neuartige Interaktionsmöglichkeiten ein, von denen viele noch heute in Gebrauch sind, zum Beispiel Kontextmenüs. Mit Tastatur und Lichtgriffel ließen sich Befehle erteilen, Objekte auswählen und Zeichnungen anfertigen. Sutherlands Dissertation legte das Augenmerk auf die Schaffung und Optimierung einer grafischen Datenstruktur.

Einige Jahre später erweiterte Timothy Johnson das System um 3D-Fähigkeiten und nannte es Sketchpad 3. Dabei wurde der Bildschirm in die heutzutage immer noch gebräuchlichen drei Seitenansichten und eine Perspektivansicht unterteilt.

Alan Kay entwickelte 1969 für den Xerox Alto die erste grafische Benutzeroberfläche,Masson 2007, S. 396. die auch den späteren Apple Macintosh erheblich beeinflusste.

CAD, Modellierung und Virtuelle Realität mini|Der Z64 Graphomat, ein früher Plotter

William Fetter, ein Angestellter bei Boeing, verwendete 1960 die Bezeichnung computer graphics für seine Computerzeichnungen von Flugzeugcockpits mit Pilot.Laut Fetter stammte die Bezeichnung von seinem Kollegen Verne Hudson, siehe Zusammen mit Walter Bernhardt und anderen gab er die Punktkoordinaten eines Flugzeugmodells in eine Datenbank ein und druckte eine automatisch berechnete perspektivische Darstellung auf einem Plotter aus.

1963 fertigte John Lansdown perspektivische Zeichnungen an einem Elliott-803-Computer an und schrieb eigene CAD-Programme. Edgar Horwood entwickelte für das US-Bauministerium ein Kartografiesystem. Am MIT begann Steven Anson Coons Techniken zur parametrischen Modellierung von Flächen zu entwickeln.

Ein frühes System für Virtuelle Realität, bei dem das erste Head-Mounted Display zum Einsatz kam, wurde von Ivan Sutherland und seinen Studenten entwickelt.Masson 2007, S. 393. Es zeigte mehr oder weniger einfache Drahtgittermodelle an.

Zusammen mit David Evans gründete Sutherland 1968 Evans & Sutherland, das erste Unternehmen, das sich auf Computergrafik spezialisiert hatte.Masson 2007, S. 395. 1969 stellte es LDS-1 (Line Drawing System-1) vor, das erste kommerzielle CAD-Grafiksystem, das Drahtgittermodelle anzeigte.

Rasterungs- und Renderverfahren Für Digitalplotter, bei denen der Stift auf einem Raster bewegt wurde, entstanden in den 1960er-Jahren Rasterungsalgorithmen, etwa 1962 der Bresenham-Algorithmus zur Rasterung von Linien.

Zur Lösung des Sichtbarkeitsproblems entwickelte John Warnock 1969 den Warnock-Algorithmus. Ungefähr zur selben Zeit wurde der Raytracing-Algorithmus entdeckt.

Kunst und Unterhaltung mini|Bildschirm eines PDP-1, auf dem Spacewar läuft

Von 1961 bis 1962 entwickelten MIT-Studenten an einem PDP-1 das erste populäre Computerspiel, Spacewar.Masson 2007, S. 390. Ken Knowlton entwickelte 1963 die Programme BEFLIX und EXPOR, mit denen frühe computergenerierte Filme produziert wurden. Frieder Nake fertigte mit dem Graphomat Z64 vierfarbige Zeichnungen an. Im selben Jahr fand der erste Computerkunst-Wettbewerb statt, gesponsert von der Zeitschrift Computers and Automation.Masson 2007, S. 392. 1965 fand an der Technischen Hochschule Stuttgart die erste Computerkunst-Ausstellung statt, der weltweit viele weitere folgten. Ralph Baer entwickelte ab 1966 Odyssey, die erste kommerzielle Spielkonsole (später von Magnavox vermarktet). Ebenfalls 1966 produzierte John Whitney sr. den ersten digitalen computergenerierten Kurzfilm, Permutations; es folgten diverse weitere Computeranimationen wie etwa Charles Csuris Hummingbird (1967).

1970er: Komplettsysteme und Rastergrafiken Während vorher Anwender die Software für ihre Grafikterminals selber schreiben mussten, änderte sich die Situation allmählich in den 1970er-Jahren. Diverse Softwarepakete, die das Zeichnen von Grafiken ermöglichten oder eine Benutzerschnittstelle bereitstellten, kamen auf den Markt. Außerdem wurden Komplettsysteme verkauft, die den Anwender fast vollständig von den Softwaredetails isolierten. Um der wachsenden Vielfalt der Hersteller und Technologien Herr zu werden, wurden Grafiknormen entwickelt. Die erste Konferenz der ACM SIGGRAPH fand 1974 statt und zog 600 Besucher an.Masson 2007, S. 399.

Grafikhardware mini|hochkant=0.7|Das SuperPaint-System von Richard Shoup mit einem der ersten Framebuffer

Ungefähr ab Mitte der 1970er-Jahre wurde Speicherhardware günstig genug, um pixelbasierte Rasterbildschirme mit mehreren hundert Bildzeilen anzusteuern. Trotz des unausweichlichen Treppeneffekts boten Rastergrafiken im Vergleich zu Vektorgrafiken eine Reihe von Vorteilen: flimmerarme Darstellung auch bei komplexen Grafiken, gefüllte Flächen und kostengünstige Bildschirme, die auch Farbe darstellen konnten. Gegen Ende des Jahrzehnts waren Rasterbildschirme beliebter als DVSTs und Vektorbildschirme.

Der erste kommerzielle Framebuffer erschien 1973. Er wurde von Evans & Sutherland auf der Basis des experimentellen 3-Bit-Framebuffers von Bell Labs entwickelt.Masson 2007, S. 154. Den ersten 8-Bit-Framebuffer entwickelte 1978 Richard Shoup bei Xerox PARC.

Ein- und Ausgabegeräte Während sich die frühen Grafiksysteme nur über Tastaturen und Lichtgriffel bedienen ließen, setzten sich in den 1970er-Jahren eine Vielzahl weiterer Eingabegeräte wie Maus, Trackball, Grafiktabletts und berührungsempfindliche Geräte durch.

Unter den Ausgabegeräten wurden elektrostatische Plotter verfügbar, die schnelle und hochwertige monochrome Ausgaben lieferten. Langsamere elektromechanische Plotter mit mehreren Stiften erlaubten auch Farbausgeben. Außerdem erschienen Diabelichter und Tintenstrahldrucker, die ebenfalls farbige Grafiken unterstützten.