Eine Computergrafik ist…

Bilder, Animationen, Symbole und ähnliche, am Computer dargestellte Daten werden als Grafik bezeichnet. Um bewegte Grafiken, wie etwa Computerspiele oder Videos, auch bei großen Bildschirmauflösungen flüssig und scharf wiederzugeben, benötigt der Computer eine leistungsstarke Grafikkarte. Damit werden beispielsweise auch bei schnellen Abläufen in Computerspielen Details wie Rauch, Wasser oder Nebel relativ wirklichkeitsgetreu wiedergegeben. Nicht nur in Desktop-PCs, sondern auch in High-End-Notebooks werden mittlerweile leistungsstarke Grafikkarten eingebaut, sodass man darauf problemlos spielen kann.

Geschichtliches

Bereits in den 1950er Jahren kamen die ersten Computer mit grafischen Ausgabegeräten auf den Markt. Das Massachusetts Institut of Technology (MIT) entwickelte den Whirlwind, den ersten Computer mit Kathodenstrahlröhren-Monitor. Entsprechend zeitgleich erfolgte die Einführung von Eingabegeräten, welche die Bedienung des Rechners erleichterten. Bald schon gab es die ersten Vektorbildschirme.

Ende der 1960er Jahre waren die ersten Computerterminals mit Speicherröhren-Grafikbildschirmen erhältlich. Damit hatte zum ersten Mal auch die breite Öffentlichkeit Zugang zu relativ günstigen Rechnern, die Grafiken darstellten. Zur etwa selben Zeit setzten Entwickler die Grundsteine für Verfahren der 3D-Computergrafik, wie etwa Raytracing.

Als in den 1980er Jahren Eingabegeräte wie die Maus sowie Farbdrucker weitgehend Verbreitung fanden, lösten Rasterbildschirme die Vektorbildschirme ab, so dass die Darstellung von farbigen Flächen möglich wurde. Die Computergrafiken waren zwar noch rudimentär, wurden aber schnell durch neue Hardware sowie Software weiterentwickelt. Nicht mehr nur Experten, sondern auch Endnutzer waren nun in der Lage, Grafiken herzustellen und zu bearbeiten.

In den 1990er erfolgte der Ausbau des Multimediabereichs. Grafiken und Toninhalte ließen sich immer einfacher miteinander kombinieren. Die ersten vollständig am Computer produzierten Filme kamen in die Kinos. Für die Nutzer wurden 3D-Computergrafiken auf Grund der zunehmenden Hardwarebeschleunigung zugänglich.

Im 21. Jahrhundert gibt es Echtzeitgrafiken, die von leistungsstarken Grafikprozessoren ermöglicht werden. Hochkontrastbilder erfreuen sich zunehmender Beliebtheit. Die Entwicklungen auf dem Gebiet der Computergrafik schreiten ständig voran.

Verbreitung von Computergrafiken

Computergrafiken finden in vielen Bereichen des täglichen Lebens Verwendung. In der Informatik oder beim Deskoppublishing kommen sie eben so vor wie bei der Bildverarbeitung. Als digitale Kunst sind Computergrafiken in Computerspielen und Filmen zu finden. Auf den Gebieten der Kartografie und der Geoinformationssysteme sowie im Bereich der Architektur und der Medizin kommen Computergrafiken ebenfalls zum Einsatz.

Rastergrafik

So gut wie alle auf dem Markt erhältlichen Bildschirme sind heutzutage Rastermonitore. Bildpunkte (Pixel) formen ein Raster, in welchem die Grafik dargestellt wird. Jedes Pixel besitzt einen eigenen Farbwert. Die Bilder, die auf diese Weise angezeigt werden, heißen Rastergrafiken. Diese sind jedoch in ihrer Darstellungsform etwas begrenzt, da sie von der Bildauflösung abhängig sind. Je geringer die Bildauflösung ist, desto ungenauer erfolgt auch die Abbildung der Grafik. Rastergrafiken sind zweidimensionale Grafiken. Um derartige Grafiken zu speichern, gibt es eine Vielzahl an Dateiformaten, die teilweise Bildkompressionsverfahren unterstützen. Gänge Dateiformate sind etwa JPG, GIF oder PNG.

Die Angabe der Farbwerte der Pixel einer Rastergrafik erfolgt als RGB-Wert (Rot, Grün und Blau). Als Farbtiefe werden diejenigen Werte angegeben, welche jeder dieser drei Farbkanäle annehmen kann. 256 Werte pro Kanal sind bei den meisten Bildschirmen die Regel. Verbraucherfreundlicher sind Zeichenprogramme. Sie definieren die Farben einer Grafik häufig durch Farbton, Sättigung und Helligkeit. Um Grafiken abzuspeichern, muss in vielen Fällen eine Farbreduktion vorgenommen werden. Die dabei auftretenden Fehler kann man mit Dithering gering halten.

High Dynamic Range Images (HDRIs) sind in der Lage, Grafiken naturgetreuer als andere Formate zu speichern. Bei Änderungen an der Helligkeit kommt es bei HDRIs zu keinem Qualitätsverlust. Noch können nur wenige Bildschirme diese Bilder wiedergeben.

Vektorgrafik

Einige Bilder, wie etwa Diagramme oder Strichzeichnungen, können als Vektorgrafiken gespeichert werden. Vektorgrafiken kann der Nutzer ohne Datenverlust bearbeiten, da nicht die Pixel, sondern die grafischen Grundobjekte (Linien, Kreise, Ellipsen, Polygone und Kurven) des Bildes gespeichert werden. Als Rasterung bezeichnet man den Vorgang, der nötig ist, um eine Vektorgrafik auf einem Rasterbildschirm als Grafik anzeigen zu können. Dabei kann es allerdings vorkommen, dass sich der Treppeneffekt einstellt, also fehlende Pixel die Darstellung der Grafik beeinträchtigen. Um diesen Effekt möglichst stark zu reduzieren, greifen Programme auf Antialiasing (Kantenglättung) zurück. Beim Rastern wird jedem Pixel ein Farbwert zugeordnet. Anti-Aliasing bezieht diejenigen Regionen bei der Berechnung der Farbwerte mit ein, die ein Pixel umgeben. Die Kanten der Grafik sehen dadurch weicher aus.

3D-Grafik

Dreidimensionale Grafiken entstehen durch Rendern, also durch Bildsynthese. Für Echtzeitrendern ist eine Hardwarebeschleunigung nötig. Die realistische Bildsynthese hingegen versucht, eine hohe Bildqualität zu erlangen.

Beim Echtzeitrendern werden die einzelnen Szenen vom Anwender interaktiv verändert, nachdem mehrere Bilder schnell berechnet wurden, sodass die Bildfolge als dynamischer Prozess erscheint. Grafikkarten unterstützen während der Berechnung die Hardwarebeschleunigung. Diese entlastet den CPU, indem sie rechenintensive Aufgaben an spezielle Hardwarekomponenten abgibt.

Bei der realistischen Bildsynthese kommt es auf die Verteilung des Lichts innerhalb einer berechneten Szene an. Mittels Shading errechnet sich die direkte Beleuchtung, während Lichtreflexionen bei der indirekten Beleuchtung auch eine Rolle spielen. In der Praxis erscheinen dadurch beispielsweise in der Grafik dunkle Räume, in die nur ein kleiner Lichtstrahl fällt, heller.

Volumengrafik

Die zu rendernden Objekte werden in der Volumengrafik nicht als Oberflächen, sondern als räumliche Objekte definiert. Man spricht dabei von Voxelgittern. Die Werte sind gitterförmig angeordnet und geben Auskunft über die Dichte des Objekts an einem gewissen Punkt. Häufig findet die Volumengrafik Anwendung im medizinischen Bereich.