3d графика и принципи на работа. Еволюцията на пиксела: малко известни факти за историята на компютърната графика. Създаване на анимация и появата на "живо действие"

Вероятно четете тази статия на компютърен монитор или мобилно устройство - дисплей, който има реални размери, височина и ширина. Но когато гледате например анимационния филм Toy Story или играете играта Tomb Raider, виждате триизмерен свят. Едно от най-невероятните неща за 3D света е, че светът, който виждате, може да бъде светът, в който живеем, светът, в който ще живеем утре, или светът, който живее само в умовете на създателите на филм или игра. И всички тези светове могат да се появят само на един екран - това е най-малкото интересно.

Как компютърът подмамва очите ни да си помислят, че гледаме в плосък екран, за да видим дълбочината на представената картина? Как разработчиците на игри правят така, че да виждаме реални герои, движещи се в реален пейзаж? Днес ще ви разкажа за използваните визуални трикове графични дизайнери, и как всичко работи и ни изглежда толкова просто. Всъщност всичко не е просто и за да разберете каква е 3D графиката, отидете в раздела - там ще намерите завладяваща история, в която, сигурен съм, ще се потопите с невиждано удоволствие.

Какво прави изображението 3D?

Изображение, което има или изглежда, че има височина, ширина и дълбочина, е триизмерно (3D). Картина, която има височина и ширина, но няма дълбочина, е двуизмерна (2D). Напомни ми къде виждаш двуизмерни изображения? - Практически навсякъде. Не забравяйте дори обичайния символ на вратата на тоалетната, указващ кабинка за един или друг етаж. Символите са проектирани по такъв начин, че можете да ги разпознавате и разпознавате с един поглед. Ето защо те използват само най-основните форми. По-подробна информация за всеки символ може да ви каже какви дрехи носи този човечец, висящ на вратата, или цвета на косата, например символите на вратата на женската тоалетна. Това е една от основните разлики между начина, по който се използват 3D и 2D графиките: 2D графиките са прости и запомнящи се, докато 3D графиките използват повече детайли и побират много повече информация в привидно обикновен обект.

Например, триъгълниците имат три линии и три ъгъла - всичко, което трябва да кажете от какво е направен триъгълникът и какво всъщност представлява той. Все пак погледнете триъгълника от другата страна – пирамидата е триизмерна структура с четири триъгълни страни. Моля, имайте предвид, че в този случай вече има шест линии и четири ъгъла - от това се състои пирамидата. Вижте как един обикновен обект може да се превърне в триизмерен обект и да съдържа много повече информация, необходима за разказване на историята на триъгълник или пирамида.

В продължение на стотици години художниците са използвали някои визуални трикове, които могат да превърнат плоското 2D изображение в истински прозорец в реалния свят. триизмерен свят. Можете да видите подобен ефект в обикновените снимки, които можете да сканирате и преглеждате на компютърен монитор: обектите на снимката изглеждат по-малки, когато са по-далеч; обекти близо до обектива на камерата са на фокус, което означава, че съответно всичко зад обектите на фокус е замъглено. Цветовете обикновено са по-малко живи, ако обектът не е толкова близо. Когато днес говорим за 3D графики на компютрите, говорим за изображения, които се движат.

Какво е 3D графика?

За много от нас играта на персонален компютър, мобилно устройство или като цяло усъвършенствана игрална система е най-яркият пример и най-разпространеният начин, по който можем да съзерцаваме триизмерни графики. Всички тези игри, страхотни филми, създадени с помощта на компютър, трябва да преминат през три основни стъпки за създаване и представяне на реалистични 3D сцени:

1. Създаване на виртуален 3D свят
2. Определяне коя част от света ще бъде показана на екрана
3. Определяне как ще изглежда един пиксел на екрана, така че цялото изображение да изглежда възможно най-реалистично

Създаване на виртуален 3D свят
3D виртуалният свят, разбира се, не е същият като реалния свят. Създаването на виртуален 3D свят е сложна работа по компютърна визуализация на свят, подобен на реалния, за чието създаване се използват голям брой инструменти и което предполага изключително висока детайлност. Вземете например една много малка част от реалния свят – ръката ви и работния плот под нея. Ръката ви има специални качества, които определят как може да се движи и да изглежда външно. Ставите на пръстите се огъват само към дланта, а не срещу нея. Ако ударите масата, тогава няма да се случи нищо с нея - масата е солидна. Съответно, ръката ви не може да премине през работния плот. Можете да докажете, че това твърдение е вярно, като погледнете нещо естествено, но във виртуалния 3D свят нещата са съвсем различни – във виртуалния свят няма природа, няма такива естествени неща като ръката ви, например. Обектите във виртуалния свят са напълно синтетични - това са единствените свойства, които им се дават с помощта софтуер. Програмистите използват специални инструменти и проектират виртуални 3D светове с голямо внимание, така че всичко в тях винаги да се държи по определен начин.

Каква част от виртуалния свят се показва на екрана?
Във всеки един момент екранът показва само малка част от виртуалния 3D свят, създаден за компютърната игра. Това, което се показва на екрана, са определени комбинации от начини, по които се определя светът, къде решавате къде да отидете и какво да видите. Независимо къде отивате – напред или назад, нагоре или надолу, наляво или надясно – виртуалният 3D свят около вас определя какво виждате, когато сте в определена позиция. Това, което виждате, има смисъл от една сцена в следващата. Ако гледате обект от едно и също разстояние, независимо от посоката, той трябва да изглежда високо. Всеки обект трябва да изглежда и да се движи по такъв начин, че да вярвате, че има същата маса като реалния обект, че е толкова твърд или мек като истинския обект и т.н.

Програмисти, които пишат компютърни игри, положете много усилия в проектирането на 3D виртуални светове и да ги направите така, че да можете да се скитате из тях, без да се блъскате в нещо, което ви кара да мислите „Това не може да се случи на този свят!“. Последното нещо, което искате да видите, са два твърди обекта, които могат да преминават един през друг. Това е рязко напомняне, че всичко, което виждате, е бутафория. Третата стъпка включва поне толкова изчисления, колкото другите две стъпки и също трябва да се извършва в реално време.

CGI отляво, mocap актьор вдясно

Осветление и перспектива

Когато влезете в стая, вие включвате светлината. Вероятно не прекарвате много време в мислене как всъщност работи и как светлината идва от лампата, разпространявайки се из стаята. Но хората, работещи с 3D графики, трябва да помислят за това, защото всички повърхности, околните телени рамки и подобни неща трябва да бъдат осветени. Един метод, проследяване на лъчи, включва пътеки, които приемат лъчи светлина, докато напускат крушката, отскачат от огледала, стени и други отразяващи повърхности и накрая се приземяват върху обекти с различна интензивност от различни ъгли. Това е трудно, тъй като от една крушка може да има един лъч, но в повечето стаи се използват няколко източника на светлина - няколко лампи, таванни лампи(полилеи), подови лампи, прозорци, свещи и т.н.

Осветлението играе ключова роля в два ефекта, които придават външния вид, тежестта и външната плътност на обектите: засенчване и сенки. Първият ефект, потъмняване, е когато повече светлина пада от едната страна на обекта, отколкото от другата. Затъмняването придава на обекта много натурализъм. Това засенчване е това, което прави гънките в юргана дълбоки и меки, а високите скули изглеждат поразителни. Тези разлики в интензитета на светлината засилват цялостната илюзия, че обектът има дълбочина, както и височина и ширина. Илюзията за маса идва от втория ефект, сянката.

Твърди веществахвърлят сенки, когато светлината ги удари. Можете да видите това, когато наблюдавате сянката, която слънчев часовник или дърво хвърлят върху тротоара. Затова сме свикнали да виждаме реални предмети и хора, хвърлящи сенки. В 3D сянката отново подсилва илюзията, като създава ефекта на това, че сте в реалния свят, а не на екран от математически генерирани форми.

перспектива
Перспектива е една дума, която може да означава много, но всъщност описва прост ефект, който всеки е виждал. Ако застанете отстрани на дълъг, прав път и погледнете в далечината, изглежда, сякаш двете страни на пътя се събират в една точка на хоризонта. Освен това, ако дърветата са близо до пътя, дърветата по-далеч ще изглеждат по-малки от дърветата по-близо до вас. Всъщност ще изглежда, че дърветата се събират в определена точка на хоризонта, образуван близо до пътя, но това не е така. Когато изглежда, че всички обекти в сцената се сближават в една точка от разстоянието, това е перспектива. Има много вариации на този ефект, но повечето 3D графикаизползва една-единствена гледна точка, която току-що беше описана от мен.

Дълбочина на рязкост

Друг оптичен ефект, който успешно се използва за създаване на 3D графики, е дълбочината на полето. Използвайки моя пример за дърво, има още едно интересно нещо, което се случва освен горното. Ако погледнете дървета, които са близо до вас, дърветата по-далеч изглеждат извън фокус. Режисьори и компютърни аниматори използват този ефект, дълбочина на полето, за две цели. Първият е да се засили илюзията за дълбочина в сцената, която се гледа от потребителя. Втората цел е режисьорите да използват дълбочината на полето, за да фокусират вниманието си върху теми или актьори, които се считат за най-важни. За да привлечете вниманието ви към не-героин във филм, например, може да се използва "плитка дълбочина на рязкост", където на фокус е само актьорът. Сцена, която е предназначена да ви впечатли, напротив, ще използва „дълбока дълбочина на рязкост“, така че възможно най-много обекти да са на фокус и по този начин да се виждат от зрителя.

Изглаждане

Друг ефект, който също разчита на подвеждане на окото, е анти-алиасинг. Цифровите графични системи са много подходящи за създаване на ясни линии. Но също така се случва, че диагоналните линии имат предимство (те се появяват доста често в реалния свят и след това компютърът възпроизвежда линии, които приличат повече на стълби (мисля, че знаете какво е стълба, когато разгледате обекта на изображението в детайли )). По този начин, за да подмами окото си да види гладка крива или линия, компютърът може да добави определени нюанси на цвета към редовете от пиксели около линията. Това " в сиво»пиксели компютър просто мами очите ви, а междувременно си мислите, че вече няма назъбени стъпки. Този процес на добавяне на допълнителни цветни пиксели за измама на окото се нарича анти-алиасинг и е една от техниките, които се създават ръчно от 3D компютърна графика. Друга трудна задача за компютъра е да създаде 3D анимация, пример за която ще ви бъде представен в следващия раздел.

Реални примери

Когато всички трикове, които описах по-горе, се използват заедно за създаване на зашеметяващо реална сцена, резултатът си заслужава усилията. Най-новите игри, филми, компютърно генерирани обекти се комбинират с фотографски фонове – това засилва илюзията. Можете да видите невероятни резултати, когато сравните снимки и компютърно генерирана сцена.

Снимката по-горе показва типичен офис, който използва тротоар за влизане. На една от следващите снимки на тротоара е поставена обикновена едноцветна топка, след което сцената е снимана. Третата снимка вече е използването на компютърна графична програма, която създаде топката, която всъщност не съществува на тази снимка. Можете ли да кажете дали има някакви съществени разлики между тези две снимки? Мисля че не.

Създаване на анимация и появата на "живо действие"

Досега разгледахме инструментите, които правят всяко цифрово изображение да изглежда по-реалистично – независимо дали изображението е неподвижно или част от анимационна последователност. Ако това е анимирана последователност, тогава програмистите и дизайнерите ще използват още по-различни визуални трикове, за да придадат вид на "живо действие", а не на компютърно генерирани изображения.

Колко кадъра в секунда?
Когато отидете да гледате изискан блокбъстър в местно кино, поредица от изображения, наречени кадри, работи с 24 кадъра в секунда. Тъй като нашата ретина запазва изображение за малко по-дълго от 1/24-та от секундата, очите на повечето хора ще смесват рамки в едно непрекъснато изображение на движение и действие.

Ако не разбирате за какво написах току-що, погледнете го от другата страна: това означава, че всеки кадър от филма е снимка, направена при скорост на затвора (експозиция) от 1/24 секунда. По този начин, ако погледнете един от многото кадри на състезателен филм, ще видите, че някои от състезателните автомобили са „замъглени“, защото са пътували с висока скорост, докато затворът на камерата е бил отворен. Това замъгляване на нещата, създадени от бързо движение, е това, което сме свикнали да виждаме, и е част от това, което прави изображението реално за нас, когато го гледаме на екрана.

Въпреки това, цифровите 3D изображения все пак не са снимки, така че не се получава ефект на размазване, когато обект се движи през кадъра по време на заснемането. За да направите изображенията по-реалистични, замъгляването трябва да бъде изрично добавено от програмистите. Някои дизайнери смятат, че са необходими повече от 30 кадъра в секунда, за да се „преодолява“ тази липса на естествено размазване, поради което накараха игрите да достигнат ново ниво - 60 кадъра в секунда. Въпреки че това позволява на всяко отделно изображение да изглежда с големи детайли и да показва движещи се обекти на по-малки стъпки, това значително увеличава броя на кадрите за дадена анимационна последователност. Има и други специфични части от изображенията, където точното компютърно изобразяване трябва да бъде пожертвано в името на реализма. Това се отнася както за движещи се, така и за неподвижни обекти, но това е друга история.

Да стигнем до края

Компютърната графика продължава да удивлява целия свят, като създава и генерира голямо разнообразие от наистина реалистични движещи се и неподвижни обекти и сцени. С 80 колони и 25 реда монохромен текст, графиките изминаха дълъг път и резултатът е ясен – милиони хора играят игри и изпълняват всякакви симулации с днешните технологии. Новите 3D процесори също ще се почувстват - благодарение на тях ще можем буквално да изследваме други светове и да изживеем неща, в които никога не сме се осмелили да опитаме реален живот. И накрая, да се върнем към примера с топката: как е създадена тази сцена? Отговорът е прост: изображението има компютърно генерирана топка. Не е лесно да се каже кой от двете е истински, нали? Нашият свят е невероятен и трябва да живеем в съответствие с него. Надявам се, че ви е било интересно и сте научили за себе си още една порция интересна информация.

Тези, които се занимават с разработването на триизмерна графика, знаят много добре, че успехът в овладяването на тази област зависи изцяло от търпението. Невъзможно е да се овладее тази наука с "замах", това изисква дълга подготовка. Чрез опити и грешки, четене на много образователна литература, след много досадно чакане за изобразяването на финалната сцена, най-накрая идва прозрението: „Значи така се оказа!

Като спортист, който усъвършенства уменията си спортна екипировка, дизайнерът на компютърна графика използва едни и същи шаблонни конструкции отново и отново, които му помагат да разбере тънкостите на работата с програмата. Познатите му снимки и модели са били използвани за тестване на различни функции на 3D редактора толкова дълго, че изглеждат съвсем обикновени инструменти. Междувременно много от тях изобщо не са подобни на "стандартните" средства. Модел на чайник, 3D глава на маймуна и други странни неща - откъде са дошли?

Много хора смятат, че присъствието в програми за разработване на триизмерни графики на такива необичайни модели като Suzanne или Teapot е брилянтна находка за разработчиците. Всъщност, за разлика от правилните прости обекти като сфера, цилиндър, куб или конус, моделите с необичайна геометрия изглеждат по-естествени. Има още сложна формави позволява бързо да откривате несъвършенства в осветлението и материалите. С тези обекти е много удобно да експериментирате и да практикувате моделиране.

⇡ Трудният живот на обикновен чайник

Съдбата на някои неща понякога е много необичайна. Когато Мартин Нюел и съпругата му Сандра закупиха чайник от универсален магазин в Солт Лейк Сити през 1974 г., те никога не са си представяли, че целият свят буквално ще разбере за това нещо в бъдеще.

Това беше най-разпространеният керамичен чайник, произведен от немската компания Melitta. Много семпла форма - леко заоблена, с капак. На него дори нямаше никакъв дизайн или шарка, а само елегантен бял чайник.

Нюел участва в разработването на алгоритми за изобразяване за графичен редактор в Университета на Юта (University of Utah). Оттук идва и името на чайника, той става известен като „чайник на Юта“. Интересно е, че първоначално моделът на чайника е бил придружен от комплект чаши и лъжички. Изглеждаше така.

Тогава моделите на сервиза за чай се объркаха и остана само един чайник. Най-внимателните потребители вероятно са забелязали, че в сравнение с чайника от програмата 3ds max, пропорциите на оригиналния чайник Utah са малко по-различни.

Точно така - оригиналният обект е малко по-висок от компютърния модел. Защо така? Самите "родители" на първия компютърен модел са объркани в обясненията си. Най-вероятно причината е, че фреймбуферът на компютъра, с който работеше Нюъл, имаше неквадратни пиксели. Вместо да изкриви изображението, Мартин помоли колегата си Джим Блин да коригира мащаба на модела, за да елиминира разтегнатите деформации. Самият Джим твърди, че просто им е харесала вертикално мащабираната форма на чайника, която са използвали при демонстрация в лабораторията си.

Чайникът се превърна в любим обект на разработчиците на 3D графики. Някак неусетно те започнаха да го използват, където е възможно. Например, на компютрите Commodore CBM, които бяха продадени в началото на 80-те години на миналия век, беше инсталирана демонстрационна програма Grafikdemo. Като го стартира, потребителят може да види рамката на чайника на екрана. Тази основа може да се върти с помощта на клавиатурата, като се гледа от всички страни. Такива прости манипулации трябваше да направят силно впечатление на потребителите и да убедят потенциалния купувач към скъпа покупка.

Чайникът е видян и в популярния скрийнсейвър 3Dpipes ("Pipeline") от Windows.

Той също се появява в различни 3D анимации, например в известния филм на Pixar Toy Story, където главният герой пие чай от чайника на Нюел.

Дори анимационният Хоумър Симпсън в един от епизодите на сериала Симпсън изведнъж придоби трето измерение и чайникът на Юта веднага влезе в кадър (за феновете - шести епизод от седмия сезон на Treehouse of Horror VI).

А също и чайникът на Юта (след малко редактиране той промени формата) попадна в рамката, когато гледаше друга снимка на Pixar - "Monsters Inc.".

Между другото, Pixar също има забавна традиция. Всяка година на следващото шоу Siggraph те раздават сувенирни чайници в Юта - играчки за ходене, които рекламират двигателя за изобразяване на RenderMan. Обикновено тези чайници са опаковани в кутия за чай. Прекрасен сувенир от изложбата за любител на 3D.

Триизмерният модел на чайника се превърна в отличителен белег на един от най-популярните 3D редактори - Autodesk 3ds max. В тази програма всеки потребител може лесно да създаде чайник, дори някой, който никога не е участвал в триизмерно моделиране.

Обикновено керамичните съдове не издържат дълго. Но това правило не работи в случая с чайника на Нюел. Не само, че все още е в отлично състояние, но и е преминало, така да се каже, в публичното пространство. Собственикът го дарява на Бостънския компютърен музей, където остава до 1990 г. Този експонат вече може да бъде намерен в Музея на компютърната история в Маунтин Вю, Калифорния.

От време на време известният чайник пътува по различни събития – като изложбата Siggraph. Въпреки средната си възраст той изглежда чист, лъскав и подозрително нов. И въпреки че собствениците на рядкото убеждават, че това е същият чайник, от който започва историята на 3D анимацията, като се имат предвид разстоянията, които е трябвало да измине, е възможно той да е тайно заменен от друг екземпляр, тъй като подобни модели все още са продават в големи количества.

⇡ Станфордски заек

След появата на чайника в Юта дълго време разработчиците на триизмерна графика нямаха алтернатива. Трябва да тествате изобразяването? Разбира се, използва се чайник на Нюел. Но през деветдесетте ситуацията леко се промени. Има нови инструменти за 3D моделиранеи нови модели за тестване. Изследователите от Станфордския университет Грег Търк и Марк Левой се присъединиха към случая.

През 1994 г., на Великден, Грег тръгна по Юнивърсити Авеню и се отби до магазин, който продаваше декоративни предмети за дома и градината. Там той видял колекция от глинени зайци. Той наистина харесваше теракотения цвят на червената глина и на Търк му хрумна, че тази фигурка е идеална за 3D сканиране и използване в 3D експерименти.

„Ако знаех, че този заек е толкова популярен, да, щях да ги купя всичките!“ - каза Грег няколко години по-късно. Той купи този заек и го донесе в лабораторията, където заедно с Марк дигитализираха формата му. Заекът имаше само един недостатък - имаше дупки в геометрията му. За да опрости многоъгълната мрежа, Грег просто ги закърпи на ръка. Моделът на Станфордския заек, който е получен след дигитализирането на фигурката, съдържа 69451 триъгълни повърхности, докато самата оригинална фигурка е с височина 19 сантиметра.

Оттогава този модел може да бъде изтеглен от всеки директно от сайта на Станфордския университет.

В допълнение към заека, хранилището в Станфорд е домакин на много повече модели, много от които също станаха много популярни в общностите за 3D разработка. Сред безплатните 3D модели, достъпни за изтегляне, има например фигурка на щастлив Буда, популярен китайски дракон, красива тайландска статуя и т.н.

⇡ Маймуна в блендер

3D редакторът на Blender е несравним. Това е единственият безплатен професионален пакет за 3D графика, който може повече или по-малко да се конкурира с "китове" като Maya или Lightwave.

Отворен код, кросплатформени и огромни възможности за моделиране - можете да говорите за достойнствата на тази програма много дълго време. Разработчиците са направили всичко възможно, за да гарантират, че тази програма по никакъв начин не е по-ниска от търговските аналози. И сякаш в отговор на чайника на Юта, Blender е интегрирал свой собствен "нестандартен" обект - маймуна на име Сузана.

Моделът на тази маймуна има не много сложна, но нетривиална геометрия, която е идеална за тестови сцени и изучаване на настройките за изобразяване. Това е нисък поли модел с 500 повърхности.

Главата на шимпанзето се появи за първи път в Blender 2.25. Тогава, през януари-февруари 2002 г., стана ясно, че компанията NaN, която промотира все още платения 3D редактор Blender, е в несъстоятелност и следователно няма да може да доразвие този проект. Неговите програмисти добавиха маймуна като вид Великденско яйцедо последната версия на програмата, създадена от NaN. След това лицензът на Blender беше променен на GNU GPL, бяха събрани пари от кредиторите и 3D редакторът стана безплатен.

Той моделира известната маймуна Вилем-Пол ван Овербрюген, известна още под прякора SLiD3. Той също така даде името, взел го от много специфичната комедия на Кевин Смит „Джей и Мълчаливият Боб отвръща на удара“. В този филм имаше орангутан на име Сузана.

Сузан се превърна в истински символ на безплатния 3D редактор. През 2003 г. дори беше създаден специален конкурс за художници, работещи в Blender. Годишният конкурс се нарича Suzanne Awards, а победителите получават статуетка на маймуната Сузана.

⇡ Кутия Корнел: експерименти със светлина

Един от най важни етапиработа върху триизмерна сцена – визуализация. И тук, трябва да кажа, не всичко зависи от потребителя. В някои случаи дори задълбочено познаване на параметрите за изобразяване не е гаранция за висок реализъм на изображението. Качеството на крайното изображение се определя от условията на визуализация и най-важното от алгоритъма за изчисляване на осветлението.

В реалния свят всичко се контролира от физически процеси. Законите на оптиката, както и свойствата на материалите, определят картината на света около нас. Стъклените предмети се възприемат от очите ни като прозрачни, лимоновата кора сякаш е релефна, а ледът е матов. Алгоритъмът за 3D изобразяване, използван за изобразяване, се опитва да възпроизведе всички тези явления и свойства на материала чрез симулиране на физически процеси. Проблемът обаче е, че този алгоритъм не е съвършен и, както във всеки училищен проблем по физика, той използва много предположения и конвенции.

Например, най-простият принцип за изчисляване на сенките е проследяването. Това само дава представа къде ще отиде очертанията на хвърлената сянка. В реалния живот обаче сенките не винаги са остри - най-често има многократно отражение на светлината, когато лъчът се отразява няколко пъти от обекти, пренасяйки цвета на съседните обекти в други области и прави сенките „меки“. В 3D графиката това свойство се описва от глобални алгоритми за осветяване.

През 1984 г. екип от учени в графичния отдел на университета Корнел разработва нови алгоритми за проследяване на светлината. Работата им беше наречена „Моделиране на взаимодействието на светлината с дифузни повърхности“. За лаика това име няма да каже нищо, но специалист по триизмерна графика точно ще отгатне в тази фраза един от принципите за изчисляване на светлината в триизмерна сцена - „глобално осветление“. През същата година на популярната изложба Siggraph експертите от университета Корнел демонстрираха предимството на своята система на примера на обикновена триизмерна сцена - кух куб, вътре в който бяха разположени най-простите примитиви.

Този куб играе ролята на стая, затворена стая, служи като опростен модел за симулиране на реалистично разпространение на светлината. Моделът с кутия, наречен Cornell box, е изключително семпъл, светлината в него прави предвидими отражения и затова простият дизайн се оказа много практичен и удобен. Толкова удобен, че все още се използва от специалисти по 3D графика и до днес, като настройват алгоритми за визуализация и тестват нови методи за изчисляване на осветеността.

Стените от вътрешната страна на кутията Cornell са боядисани в различни цветове. Така, лява странаима червен цвят, десният е зелен, задната стена, както и „таванът” и „подът” са бели. Това е необходимо, за да може изследователят, провеждащ експерименти върху този модел, да види прехвърлянето на цвета към съседни повърхности. Можете сами да наблюдавате най-простия пример за този ефект - поставете нещо много ярко жълто върху чист бял лист хартия и ще видите как листът придобива жълтеникав оттенък по периметъра на този обект. Ако рендирате с помощта на глобални алгоритми за осветяване, подобен ефект ще се появи в кутията на Cornell.

⇡ Първи 3D компютърни анимации

Bell Laboratories винаги е бил един от най-големите и обещаващи изследователски екипи в света. Те се занимаваха с най-наболелите проблеми в различни области на науката. През годините на своето съществуване учените от Bell Laboratories са награждавани седем пъти с Нобелова награда.

И съвсем естествено е, че първата триизмерна симулация беше извършена от специалистите на този център. През 1963 г. служител на Bell Laboratories на име Едуард Е. Заяк демонстрира програма, написана на Fortran, за да симулира движението на спътник.

Той не си е поставил за цел да създаде първата триизмерна анимация, но така се оказа.

По това време той работи в Катедрата по математически изследвания и се занимава с математическо моделиране за създаване на механизми с двужироскопична система за стабилизиране, която може да се използва в първите комуникационни спътници. С помощта на програмата ORBIT (написана от друг служител на Bell Laboratories), ученият обработи изчисленията си, като получи набор от перфокарти с резултатите. Използвайки компютърен рекордер General Dynamics Electronics Stromberg-Carlson 4020, той разпечата анимационния микрофилм.

Сюжетът му е прост – два обекта са свързани помежду си чрез силата на гравитацията и един обект се върти около втория като, да речем, Луната около Земята. Графиката, както виждате, е минимална, но е 1963 г. и наистина е първата 3D анимация.

Друг служител на Bell Laboratories, който се опита да намери начин да накара компютъра да рисува триизмерна анимация, е Майкъл Нол (A. Michael Noll).

Използвайки компютър IBM 7094 през 1965-66 г., той прави няколко късометражни филма, като "компютърен балет", където с добро въображение можете да видите фигури на еднокраки танцьори, движещи се в триизмерно пространство. Най-вероятно това е балет на лед. За „танцьори“ е взета шарнирна конструкция, състояща се от няколко възлови точки. Тази опция ни позволи да опростим грешните изчисления.

И за да няма никакви съмнения, че тази анимация е триизмерна, Майкъл Нол я визуализира в стереоскопичен режим, като нарисува видеото отделно за дясното и лявото око. Освен "компютърния балет", Майкъл имаше още няколко интересни стереоскопични анимации с четириизмерен куб, четириизмерна сфера и т.н. Всички изображения в анимацията са "обърнати", тоест вляво е снимка за дясното око, а вдясно е снимката за лявото око. Така че, ако искате да ги гледате, фокусирайте зрението си пред екрана на монитора.

⇡ Първи 3D модел на кола: как да сканирате на ръка

Производството на много неща в средата на миналия век беше много по-бавно в сравнение с това, което е сега. Процесът на създаване на прототип, да речем, автомобил, беше много дълъг и сложен. Но всичко се промени, когато Иван Едуард Съдърланд се зае да разработи интерактивен интерфейс, който ще помогне на хората и компютрите да „комуникират“ един с друг.

Веднъж Иван Съдърланд беше попитан как може да измисли и създаде толкова много революционни идеи за толкова кратко време, от концепцията за интерфейса на всички CAD системи до обектно-ориентиран подход към програмирането. В отговор Съдърланд само се усмихна и разпери ръце: „Но тогава не знаехме, че всичко е толкова трудно!“

Още през 1963 г., като част от дисертацията си, Иван Съдърланд демонстрира „чертеж робот“ (това е неофициалното име на проекта – Robot Draftsman). Тази програма беше първата връзка в еволюцията на системите за компютърно проектиране, които днес са известни като Sketchpad.

С помощта на компютър и свързана светлинна писалка касиерът можеше да рисува директно на екрана на дисплея. Компютърът определя координатите на точките на докосване на светлинната писалка и след това изчислява геометрията на кривата, правата линия или геометрична фигураи почти мигновено показва резултата на екрана.

Прост по днешните стандарти, Sketchpad изискваше фантастичната изчислителна мощност на деня. Работеше на компютър TX-2, който заемаше няколко стаи в изследователската лаборатория на Линкълн на Масачузетския технологичен институт.

Във видеото по-долу Съдърланд демонстрира възможностите на новия интерфейс човек-машина.

Неговата система направи възможно да се правят невероятни неща за 60-те години на миналия век - чертане на линии точка по точка и създаване на реални рисунки на екрана. Sketchpad също ви позволява да правите промени, докато работите, и да мащабирате вече завършените чертожни елементи.

Едно от най-важните изисквания към Sketchpad, което Иван изложи, беше да следва точно инструкциите на оператора. Беше доста трудно за изпълнение, тъй като потребителят можеше да „пропусне“ в правилната точка, а самото входно устройство беше несъвършено. За да реши този проблем, Sketchpad използва система от така наречените ограничители. Тези ограничения направиха възможно манипулирането на детайлите на чертежа с абсолютна прецизност, например, да се направят успоредни прави линии или да се дадат два сегмента с еднаква дължина. За използване на тези ограничители беше използван цял набор от функционални клавиши, който се намираше до екрана за въвеждане на данни.

Но на тази презентация авторът на първия CAD софтуер вече показва напълно работеща версия на интерактивния интерфейс с няколко прожекционни прозореца и говори много разумно за потенциалните възможности за работа с 3D.

За разработката на системата Sketchpad Иван беше удостоен с най-престижната награда в областта на компютърните науки, връчена от Асоциацията за изчислителна техника, наградата Тюринг.

Съвременните учители могат да научат много от Съдърланд. Този човек се посвети изцяло на науката. Но какво да кажем за себе си – той буквално не пощади колата за тази цел. Заедно със своите ученици Иван направи първото 3D цифрово сканиране на Volkswagen Beetle на ръка. Да, на ръка.

Задачата беше много трудна. Тогава нямаше цифрови скенери или цифрова фотография, така че всичко трябваше да се прави директно. Учениците пълзяха като мравки по колата и с помощта на специални измервателни линийки нарисуваха многоъгълна мрежа върху нея, това, което днес експертите по 3D графика наричат ​​телена рамка или рамка на 3D модел. Преди да започнете работа, някои детайли бяха премахнати от колата - колела, броня и т.н., тъй като едната основа беше „дигитализирана“ - от всички страни, отгоре надолу. Беше ли оправдана такава жертва? Разбира се! Чрез тормоза над "бръмбара", Съдърланд разработи техника за проектиране на многоъгълни мрежи върху обект, благодарение на която се появи модерна 3D графика.

Иван също успя да заинтересува много хора с работата си, които продължиха да развиват посоката компютърна 2D и 3D графика. И на фона на успеха всички някак си забравиха, че Volkswagen Beetle всъщност принадлежи на съпругата на Иван, а реакцията й към постъпката на съпруга й остана мистерия.

И кои бяха тези ученици "мравки"? Сред тях имаше много изключителни личности. Един от тези, които направиха модела кола, се казваше Джон Едуард Уорнок. Десет години след тази история той ще стане съосновател на известната компания Adobe.

B˘i T˝ờng Phong, младши изследовател, също допринесе за създаването на този модел. Моделът на Фонг днес се използва в много 3D двигатели.

Именно върху модела на първата триизмерна кола Фонг тества своята известна система за засенчване, която по-късно получи името му - Phong. Във всеки 3D редактор, който има възможност да персонализира материали, наред с други опции, можете да изберете алгоритъма за засенчване на Phong. Методът Phong се основава на интерполацията на повърхностни нормали от растеризирани полигони и ви позволява да изчислите цвета на пикселите, като вземете предвид интерполираната норма и модела на отражение на светлината.

Проектът Съдърланд практически нямаше аналози. Единствената система, която имаше подобен принцип, беше комерсиалната разработка на General Motors и IBM, която беше наречена DAC-1 (Design Augmented by Computers). Тази конзола също беше контролирана от лека писалка, но беше по-малко удобна и също така скъпа.

⇡ Една вляво: първата компютърна анимация на ръката

Навикът да се преследва силата на компютърния хардуер доведе до широко разпространение сред потребителитеубеждението, че без съвременна видеокарта е невъзможно да се получи 3D изображение. Но това изобщо не е така. Представете си, че третото измерение е било застрашено преди повече от половин век. Дори преди момента, в който компютърът наистина стане личен, инженерите можеха (и правеха) 3D анимация. И бъдещият основател и президент на Pixar, както и ръководителят на Walt Disney Animation Studios и DisneyToon Studios, Edwin Catmull, имаха пръст в това.

И го направи в буквалния смисъл на думата – дигитализира лявата си ръка и създаде демонстрационна анимация на движенията на пръстите върху нея.

Catmull се интересува от процеса на анимация от детството. Той дори имаше собствен импровизиран щанд, където Едуин се опита да направи първите примитивни карикатури. Въпреки това, както много други завършили висше образователни институцииТой не намери веднага своето призвание. Веднага след като завършва университета в Юта, той първо отива да работи за Boeing, но година по-късно икономическата криза принуди Boeing да уволни хиляди служители, а Ед беше сред тях. След това наскоро завършилият се завръща отново в университета, за да продължи следдипломното си обучение.

Иван Едуард Съдърланд, тогава професор в Университета на Юта, става ментор на Катмъл и насърчава младия аспирант да изучава интерактивна компютърна графика. Catmull използва същия метод като Иван, за да дигитализира колата си. Анимацията на 3D ръката беше създадена на няколко етапа. В сравнение с мащабния проект за дигитализация на Volkswagen Beetle на Иван, Catmull го намери малко по-лесно - той просто нарисува отливка на лявата си ръка, маркирайки местоположението на ръбовете и възлите на полигоналната мрежа върху нея. След това в лабораторията тази решетка беше прочетена от специално устройство и въз основа на получените данни беше съставен триизмерен модел.

Catmull написа програма за анимиране на този модел. Тази анимация е изобразена и използвана като хубаво допълнение към проект за дипломиране. Повърхността на ръката беше деформирана, пръстите бяха огънати и разгънати, а самата ръка се въртеше на екрана. За по-голям ефект, Catmull дори позволи да "погледне" вътре в модела, демонстрирайки на зрителя, че 3D рамото е куха отвътре.

Трудът на младите учени не беше напразен. Модел на 3D въртяща се ръка е използван в научнофантастичния филм Futureworld от 1976 г. Той говореше за курортен хотел с роботизиран персонал. За имитация на високите технологии е използвано всичко – както рендерирана анимация, така и телена рамка на триизмерен модел.

В допълнение към тази триизмерна ръка учениците направиха още по-сложна работа – анимиран модел на човешка глава.

Той е подготвен от приятеля и колегата на Catmull Фред Парк, който също участва в дигитализирането на модела на лявата ръка на Едуард.

Той дори се опита да синхронизира звука и движението на устните на компютърния модел. И това е през 1974 г.!

Студентите нарекоха човешкия модел Baldy помежду си, тоест „плешив“. Рамката му се състоеше от 900 триъгълника.

В средата на осемдесетте лабораторията на Доминик Масаро продължи да работи по този модел и, използвайки по-съвременна техника, „съживи“ главата, дарявайки я с голям набор от изражения на лицето. Самият професор Масаро леко промени името на италианския стил - Baldi и го регистрира като търговска марка. И не толкова отдавна под негово ръководство стартира пускането на приложение за iOS, в което има говореща 3D глава, направена през седемдесетте години.

Терминът "компютърна анимация" в средата на миналия век беше нещо много екзотично. Компютрите, както и печатащите устройства, бяха на разположение само на изследователските организации и, разбира се, на военните. Е, в Съветския съюз хората изобщо не са чували за компютърна анимация, с изключение на малка група ентусиасти, които предположиха, че е напълно възможно да се „рисува“ анимация с помощта на компютърни технологии. Един от тези хора е математикът Николай Николаевич Константинов.

Този човек е истинска легенда на руската математика. Константинов е един от най-талантливите и необикновени учени, който успя не само да даде огромен принос в националната наука и образователна система, но и да предаде знанията си на бъдещите поколения. Сред неговите ученици има много видни математици и учени, да не говорим за победителите в математически състезания и олимпиади.

През далечната 1968 г. той създава първата компютърна анимация за минута и половина. Обект на вниманието му беше котка, откъдето идва и името на мини-карикатурата - "Кити".

Математикът решава да създаде карикатура, като програмира движенията на котка и отпечата всеки кадър от анимацията с преначертан силует. Реализирането на подобна идея би могло да възникне само от човек, който не само отлично разбира висшата математика, но и вижда нейното практическо приложение.

Тъй като мускулите на животното чрез свиване контролират ускорението на определени части от тялото, Константинов решава, че диференциалните уравнения от втори ред могат да станат основа на алгоритъма за движение на животното. Графичната интерпретация на силуета на котката е постигната с помощта на символен масив. Математикът разби очертанията на котка на параметрични „ленти“ и след това, използвайки хипотетични формули, описващи походката на животното, пресъздаде прост сценарий на движения, който включва няколко стъпки, завъртане на главата и забавяне.

В тази работа той беше подпомогнат от двама студенти от Московския държавен университет - Владимир Пономаренко и Виктор Минахин. По-късно Николай Николаевич припомни забавна подробност от този проект: за да извлече правилната формула за движенията на котка, Виктор се опита да изобрази котка - той се качи на четири крака и ходи по пода, опитвайки се да разбере кои мускули са замесени в работата.

Въпреки че впоследствие самият Константинов опроверга реалистичността на постигнатия резултат, позовавайки се на хипотетичността на математическите изчисления, е трудно да не забележим колко реалистично се движи животното в кадър.

В катедрата по общи проблеми на управлението на Механико-математическия факултет на Московския университет беше подготвена теоретичната част на този проблем и отстраняването на грешки в самата програма чрез погрешно изчисление диференциални уравненияи работата му е извършена в Изчислителния център на Московския държавен педагогически институт. Компютърът, използван за изчисляване на тази анимация, беше гордо наречен BESM-4 („Голяма електронна изчислителна машина“).

BESM-4 имаше много малко общо с това, което днес наричаме компютър. Само 30 такива устройства са произведени в цялата страна. RAMв BESM-4 е направен на феритни сърцевини (8192 думи, 45-битови думи, организирани в два куба от 4k думи всеки). Производителността на този "кабинет" беше до четиридесет хиляди операции в секунда. Принтерът за голяма електронна изчислителна машина имаше не по-малко обемно име - буквено-цифровият принтер ATsPU-128.

Ако се вгледате внимателно в изобразяването кадър по кадър, можете да видите незначителни случайни нежелани артефакти – по свой начин това са първите „бъгове“ на компютърната визуализация, тоест изобразяването.

Що се отнася до лицето, което котката прави в началото на късометражния филм, това не е дело на математик, а на забавен художник, който също направи анимация за незабравим съветски филм " Смешни момчета". Той също беше поканен да работи по този проект.

Интересното е, че по това време Константинов не е единственият човек в СССР, който използва метода на компютърната анимация. Въпреки това, други опити за визуализиране на компютър, като например анимация на процеси вътре в ДНК молекула, бяха скучни и неясни за неподготвен зрител.

⇡ Заключение

Сега компютърът е универсален инструмент. Може да се използва и за рисуване, и за създаване на анимация, и за подготовка на видеоклипове. Единственото, което му липсва, е креативността. Въпреки това, може би това е въпрос на време.

Външен вид компютърна технологияи развитието на компютърната графика в известен смисъл позволи на човек да хвърли нов поглед към света. Голяма част от това, което преди беше недостъпно за човешкото зрение, което беше твърде бързо или твърде бавно, много малко или твърде голямо, стана очевидно и разбираемо в компютърен модел. Медицина, технологии, инженерство, космос - компютърната графика се използва във всяка сфера на човешката дейност. Това, което започна като обикновена светлинна точка на екрана, един пиксел дисплей с минимална компютърна информация, постепенно трансформиран в линия, движещо се изображение на екрана и след това във виртуална и разширена реалност. И границата на тази пикселна еволюция е някъде далеч отвъд човешкото разбиране. И най-вероятно най-интересното тепърва предстои.