💙 1.1 컴퓨터 그래픽스의 발전

(1) 1950년대와 1960년대

◼1950 년대 초
Line printer(글자 하나하나 씩 쭉 프린터가 되는 방식),

◼Teletype(멀리 있는 사람한테 전송할 수 있도록)

◼CRT Monitor (MIT의 Whirlwind 컴퓨터,cathode ray tube의 준말 ,1990년대 후반까지 많이쓰임)

◼1963 Sketchpad drawing system : Ivan Sutherland (MIT교수)
컴퓨터 그래픽 역사에 있어 중요한 역할을 많이 하셨다. 추후 드로잉 설명 때 이분이 많이 언급될 것
+동시대에 튜링이 있었는데 Ivan은 turing award라는 상을 받았다.
◼Modern interactive graphics의 시초
(대화형 그래픽스의 시초)

◼CRT(Vector Display Monitor, Random-Scan Monitor)
똑같은 CRT여도 raster display monitor도 가능하다.

◼Light pen, Command button
빛을 내는 펜이 있는데 그걸 화면에서 인식해서 선을 그리고 하는 인터렉션이 가능한 시스템이다.

◼1960 년대 말
DVST(Divert View Storage Tube)를 이용한 CAD시스템, Tektronix 4010 -지금X시스템

최초의 상호대화식 그래픽스 시스템 스케치패드(1963년)

🔽 Vector Display VS Raster Display

🔹Raster Display

> Frame buffer:

컴퓨터에 메모리 상 위치에 있는_
픽셀(pixel) 단위로 영상의 내용을 저장하기 위한 기억장치.

• 제일 밝기가 어두운 걸 0
• 밝은걸 255로 표현
• 총 2^8(256)가지로 표현된다.
• 그래픽카드 안에 프레임 버퍼라는 메모리 영역이 존재하며 거기에 값을 채워넣으면 모니터에 표현을 해주는 것이다.
• 래스터에 대한 배열 메모리 정보가 있고 그걸 픽셀별로 정렬하는 것
• 요즘 사용하는 방식

🔹 Vector Display

• frame buffer가 없다.(픽셀 개념이 없다)
• 대신 라인 정보가 있다.(x1,y1,x2,y2와 같은 )
• 하드웨어는 라인 정보를 가지고 라인의 시작점과 끝점을 그리는 것이다.
• 지금은 사용하지 않는다.
• 랜덤 스캔

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(2) 1970 년대

◼60년대 선보인 CAD(computer aidid desgin) 시스템이 널리 사용되기 시작
예) 비행기 제조회사

◼Raster Display Monitor(Raster-Scan Monitor-래스터 스캔 방식 사용)의 개발

CAD 설계의 예 : 3차원 자동차의 모델링

(3) 1980 년대

◼PC 의 Raster-Scan Monitor
(일반 사람들도 칼라모니터를 사용하기 시작함)

◼Color Graphics, 광선추적법(Ray Tracing)

◼HCI(Human-Computer Interaction) 기술의 발전: Window, Menu, Icon, Mouse, 등 예)Smalltalk-80
(마우스나 클릭으로 가능~)

◼Graphics Art
(예술,디자인 쪽에서도 많이 사용하게되었다)

◼Publication: WYSIWYG (What You See Is What You Get)
(워드같이 문서를 작성하는 것도 가능하게 되는 것)

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(4) 1990 년대

◼3D Graphics의 발전
(토이스토리라는 애니메이션 등장하고 막 3차원게임 생겨남)

◼3차원 그래픽 가속기(Graphics Accelerator) : Rendering, Texture Mapping(이미지를 더 복잡하게 표현) 등,
(그럴려면 3차원 그래픽 가속기가 필요한건데 cpu는 적합하지 않아서 그래픽카드안에 GPU가 생겨남)

◼Parallel Processor
(똑같은 알고리즘이 많이 반복되는데 , 미니 프로세서가 중복되고 동시에 실행되는..?)
◼Pipe-line Architecture
(그래픽 카드는 파이프라인 아키텍쳐로 되어있음)

◼영화, 광고, 게임시뮬레이션 분야에 활발히 활용

◼VR(Virtual Reality)의 등장,
◼Internet 환경: VRML (3차원 공간을 표현하는 언어이다)

3D 게임과 영화에서 그래픽스 기술의 적용

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🔽 광선추적법(Ray Tracing) VS Pipe-line Architecture

🔹광선추적법(Ray Tracing)

화면 픽셀마다 광선을 하나 만들어서 광선을 쫓아가면서 그 픽셀마다 그리는 방식

🔹Pipe-line Architecture

삼각형마다 그리는 방식..?

(5) 2000 년 이후

◼실시간 렌더링: 고속, 고품질
(렌더링: 이미지를 만들어 내는 것 )

• 비실시간 렌더링 : 영화(이미 만들어져있는 것),렌더링이 끝나있는 상태
• 실시간 렌더링: 게임(플레이와 동시에 렌더링이 결정이 된다.)

◼물체의 사실감과 자연스러움을 증가시키는 그래픽스 기술

◼모바일 환경 및 무선환경: PDA, 휴대폰, 스마트폰 등

◼가상환경에서 3차원 아바타
(메타버스..등등)

3차원 그래픽스 소트프웨어 SoftImage를 이용하여 제작한 그래픽의 예

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💙 1.2 2차원 그래픽스와 3차원 그래픽스

📄 2차원 그래픽스

◼점, 선, 원, 곡선 등과 같은 기본 도형을 이용하여 2차원 평면상에 그림

◼결과물을 픽셀의 형태로 표현: 각 픽셀은 적색(Red), 녹색 (Green), 청색(Blue)의 농도 값을 배합

◼벡터 그래픽(Vector Graphics)

그래픽에 사용된 객체들을 수학적 함수로 표현하여 기억 공간에 저장하는 방식
파일의 크기가 래스터 그래픽 방식으로 저장한 것보다 작음
기하적 객체를 수식의 형태로 표현하므로 화면 확대시에도 화질의 변화가 없음
(수학 식으로 저장하는 느낌, 플래시 파일은 기본적으로 벡터방식이다*참고)

◼래스터 그래픽(Raster Graphics)

래스터 그래픽 출력장치에 표시하기 위한 그래픽 데이터를 픽셀단위로 기억 공간에 저장
저장된 파일의 크기는 출력장치의 해상도에 비례
화면을 확대하면 화질이 떨어짐

📄 3차원 그래픽스

3차원 그래픽 생성과정 :

1. 물체의 기하학적인 형상을 모델링(Modeling)
2. 3차원 물체를 2차원 평면에 투영(Projection)
3. 생성된 3차원 물체에 색상과 명암을 부여(Rendering)

(1) 모델링(Modeling) 과정

◼3차원 좌표계에서 물체의 모양을 표현하는 과정
◼와이어프레임(Wireframe)모델
(상자가 있다면 그 상자의 선?뼈대만 표현 껍데기(바깥쪽만 표현하는 방법))

◼다각형 표면(Polygon Surface)모델
(게임에서 많이 사용)
◼솔리드(Solid)모델링
(3차원 프린팅 할 때 자주 사용)
◼3차원 스캔에 의한 모델링

트랙터의 와이어 프레임 모델

다각형 표면 모델

(2) 투영(Projection) 과정

◼3차원 객체를 2차원 화면에 투영
◼평형 투영법과 원근 투영법
원근 투영법(멀리있는걸 가깝게 ~)
평형 투영법(원근법 무시)

(3) 렌더링(Rendering) 과정

◼색상과 명암의 변화와 같은 3차원적인 질감을 더하여 현실감을 추가하는 과정
◼은면의 제거(Hidden Surface Removal)

◼쉐이딩(Shading), 텍스쳐 매핑 (Texture Mapping), 그림자(Shadow)

◼광선추적법(Ray Tracing)
(기본적으로 픽셀마다 광선을 쏴서 구함,반사를 표현하는데 태생적으로 유리하다.)

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*순서대로
3차원 물체의 모델링 -> 은면의 제거->쉐이딩 결과

💙 1.3 그래픽스, 이미지 처리 , 애니메이션 및 가상현실

📄 그래픽스와 이미지처리

로젠펠드(Rosenfeld)는

그래픽스, 이미지처리 및 컴퓨터 비전의 차이점을 구분

이미지 :

픽셀값으로 나타나져있는 것

이미지 처리 :

이미지를 입력받아서 또다른 이미지를 받아내는 것(ex-노이즈를 없애던가, 흑백을 칼라로 변환하던가)

컴퓨터 그래픽스:

추상적인(텍스트) 정보에서 이미지를 만들어 내는 것

컴퓨터 비전:

이미지로 부터 구조적 데이터(정보) 를 뽑아 내는 것

❗ 그래픽스, 이미지처리 및 컴퓨터 비전의 입출력형태 비교

💻 컴퓨터 그래픽스

◼인공적인 그림의 생성
◼일반적으로 그림의 품질이 중요함

📹 이미지처리(Image Processing)

◼실물 사진을 디지털 카메라나 스캐너를 이용하여 디지털화

🧍🏻‍♀️ 애니메이션(Animation)

◼일련의 정지된 그림이나 이미지를 연속적으로(초당 15 프레임 이상) 보여주어 연속된 동작으로 느낌
◼인간의 잔상효과를 이용

🎮 가상현실(Virtual Reality)

◼컴퓨터 그래픽스 기술을 이용하여 가상공간과 객체들을 구축, 관찰자(Viewer)가 가상공간을 돌아다니며 체험
◼가상공간과 물체의 실시간 디스플레이(초당 15 Frame이상)가 중요

💙 1.4 컴퓨터 그래픽스의 활용

📄 컴퓨터 그래픽스의 활용 분야

(1) CAD (Computer Aided Design)

◼부품설계 및 도면작성(Drafting), 기계설계
◼VLSI(반도체) 설계, 전자회로(칩과 선들연결) 설계
◼Communication network, Water/Electricity supply system
◼자동차, 비행기, 선박의 설계: Wireframe model
◼건축 설계

(a) 와이어 프레임

(b) 렌더링 결과

(c) 가구 배치 후의 결과

(2) 컴퓨터 애니메이션과 시뮬레이션(Simulation)

◼프레임들의 빠른 연속적인 디스플레이
◼Education, Training(Flight simulator), Physical system 의 Behavior 연구
(교육이나 훈련)

(a) 애니메이션 영화 '미녀와 야수'

(b) 비행 시뮬레이터 장치와 디스플레이
*사람이 체험하는..

(3) 컴퓨터 디자인 및 아트

◼상업 디자인(Commercial art)
◼창작 미술(Creative art)

(b) 그래픽스로 재현한 고흐의 그림
그래픽스 소프트웨어를 이용하여 그린 그림의 예

(4) 게임 및 엔터테인먼트

◼영화, 게임 , 뮤직 비디오, TV 프로그램 등
◼컴퓨터 게임: 2차원 게임에서 3차원 게임으로 발전

(a) 3차원 게임 "Dead or Alive"
엔터테인먼트 분야에서 그래픽스 기술의 활용

(5) 프리젠테이션 및 데이터 시각화(Data Visualization)

◼프리젠테이션 그래픽스(Presentation Graphics) : Graph, Chart, Business graphics, Project management
(그래픽이나 차트나 , 툴 많이 씀)

◼Computer generated model (Visualization) - Physical, Financial, Economic model
(물리적인 데이터 , 회계모델 제작 할 때도 사용~발전ing)

(b) 일기예보에 적용한 그래픽스 -데이터 시각화
프리젠테이션과 일기예측에 적용한 그래픽스의 활용 예

(6) 멀티미디어 분야에서의 활용

◼그래픽은 멀티미디어 응용에서 가장 자주 이용하는 매체
◼웹페이지, 디지털 방송, 휴대폰, 사이버 클래스, 가상환경의 구축, 아바타 생성

*디지털 방송에서 그래픽스 기술의 적용

(7) GUI(Graphical User Interface)

◼ Window
◼ Icons
◼ Menu

(8) 전자 출판

◼ Document Preparation System
◼ Publication (DTP : Desk-Top Publishing)

(9) 공간 정보의 표현

◼ 지리정보시스템(GIS: Geographic Information System)
(구글 맵 같은..각 지도마다 여러 정보 표현)
◼ 차량 주행안내 시스템(Car Navigation System)
◼ C3I, C4I (Military, Police, Emergency monitoring) : 50년대 중반 SAGE 방공시스템이 시초

(10) 이미지처리(Image Processing)

◼ Feature Detection
(특징발각)
◼ Pattern Recognition

◼ 3D Reconstruction(예: MRI, CT)
(2차원->3차원)

💻 Q&A

1. 컴퓨터 그래픽스 발전 개요 역사를 나열하고 각 연대별로 특징을 서술하시오
2. 백터그래픽 방식과 래스터그래픽 방식의 차이를 서술하시오.