Grafică 3D și principii de funcționare. Evoluția pixelului: fapte puțin cunoscute despre istoria graficii computerizate. Crearea de animații și apariții live

Probabil că citiți acest articol pe ecranul unui monitor de computer sau al unui dispozitiv mobil - un afișaj care are dimensiuni reale, înălțime și lățime. Dar când vizionați, de exemplu, desenul animat Toy Story sau jucați jocul Tomb Raider, vă uitați la o lume tridimensională. Unul dintre cele mai uimitoare lucruri despre lumea 3D este că lumea pe care o vedeți ar putea fi lumea în care trăim, lumea în care vom trăi mâine sau o lume care trăiește doar în mintea creatorilor de filme sau de jocuri. Și toate aceste lumi pot apărea pe un singur ecran - acesta este cel puțin interesant.

Cum ne păcălește un computer ochii să creadă că atunci când ne uităm la un ecran plat vedem profunzimea imaginii prezentate? Cum se asigură dezvoltatorii de jocuri că vedem personaje reale mișcându-se într-un peisaj real? Astăzi vă voi povesti despre trucurile vizuale folosite designeri grafici, și cum toate acestea sunt dezvoltate și ni se par atât de simple. De fapt, totul nu este simplu și pentru a afla cum este grafica 3D, mergi la tăietură - te așteaptă poveste fascinantă, în care sunt sigur că te vei cufunda cu o plăcere fără precedent.

Ce face o imagine tridimensională?

O imagine care are sau pare să aibă înălțime, lățime și adâncime este tridimensională (3D). O imagine care are înălțime și lățime, dar fără adâncime, este bidimensională (2D). Amintește-mi unde găsești imagini bidimensionale? - Aproape peste tot. Amintiți-vă chiar și de simbolul obișnuit de pe ușa toaletei, indicând o tarabă pentru un gen sau altul. Simbolurile sunt concepute astfel încât să le puteți recunoaște și recunoaște dintr-o privire. De aceea folosesc doar formele de bază. Informații mai detaliate despre un personaj vă pot spune ce fel de îmbrăcăminte poartă acel personaj. omuleț, atârnat pe ușă, sau culoarea părului, de exemplu, simbolismul ușii toaletei pentru femei. Aceasta este una dintre principalele diferențe între modul în care sunt utilizate grafica 3D și 2D: grafica 2D este simplă și memorabilă, în timp ce grafica 3D utilizează mai multe detalii și împachetează semnificativ mai multe informații într-un obiect aparent obișnuit.

De exemplu, triunghiurile au trei linii și trei unghiuri - tot ceea ce este necesar pentru a spune în ce constă triunghiul și ce reprezintă în general. Cu toate acestea, priviți triunghiul din cealaltă parte - o piramidă este o structură tridimensională cu patru laturi triunghiulare. Vă rugăm să rețineți că în acest caz există deja șase linii și patru colțuri - din aceasta constă piramida. Vedeți cum un obiect obișnuit poate deveni tridimensional și conține mult mai multe informații necesare pentru a spune povestea unui triunghi sau piramidă.

De sute de ani, artiștii au folosit câteva trucuri vizuale care pot face ca o imagine 2D plată să arate ca o fereastră reală către lumea reală. lume 3D. Puteți vedea un efect similar într-o fotografie obișnuită pe care o puteți scana și vizualiza pe monitorul unui computer: obiectele din fotografie par mai mici atunci când sunt mai departe; obiectele din apropierea obiectivului camerei sunt focalizate, ceea ce înseamnă, în consecință, totul în spatele obiectelor focalizate este neclar. Culorile tind să fie mai puțin vibrante dacă subiectul nu este la fel de aproape. Când vorbim astăzi despre grafica 3D pe computere, vorbim despre imagini care se mișcă.

Ce este grafica 3D?

Pentru mulți dintre noi, jocul pe un computer personal, dispozitiv mobil sau un sistem de jocuri avansat în general este cel mai izbitor exemplu și mod comun prin care putem contempla grafica 3D. Toate aceste jocuri generate de computer și filme interesante trebuie să parcurgă trei pași de bază pentru a crea și prezenta scene 3D realiste:

1. Crearea unei lumi virtuale 3D
2. Stabilirea ce parte a lumii va fi afișată pe ecran
3. Determinarea cum va arăta un pixel de pe ecran, astfel încât imaginea completă să apară cât mai realistă posibil

Crearea unei lumi virtuale 3D
Lumea virtuală 3D nu este, desigur, la fel cu lumea reală. Crearea unei lumi virtuale 3D - munca complexa pe vizualizarea computerizată a unei lumi asemănătoare celei reale, pentru crearea căreia este folosită număr mare instrumente și care implică detalii extrem de ridicate. Luați, de exemplu, o parte foarte mică din lumea reală - mâna dvs. și desktopul de sub ea. Mâna ta are calități speciale care determină modul în care se poate mișca și să apară în exterior. Articulațiile degetelor se îndoaie numai spre palmă și nu opus. Dacă lovești masa, nu i se va întâmpla nicio acțiune - masa este solidă. În consecință, mâna dvs. nu poate trece prin desktop. Puteți dovedi că această afirmație este adevărată privind ceva natural, dar în lumea virtuală tridimensională lucrurile sunt complet diferite - în lumea virtuală nu există natură, nu există lucruri naturale precum mâna ta, de exemplu. Obiectele din lumea virtuală sunt complet sintetice - acestea sunt singurele proprietăți care li se oferă software. Programatorii folosesc instrumente speciale și proiectează lumi virtuale 3D cu grijă extremă pentru a se asigura că totul se comportă într-un anumit mod în orice moment.

Cât de mult din lumea virtuală este afișată pe ecran?
În orice moment, ecranul arată doar o mică parte din lumea virtuală 3D creată pentru jocul pe computer. Ceea ce se afișează pe ecran sunt anumite combinații de moduri în care este definită lumea, unde iei decizii despre unde să mergi și ce să vezi. Indiferent unde mergi - înainte sau înapoi, sus sau jos, stânga sau dreapta - lumea virtuală 3D din jurul tău determină ceea ce vezi atunci când te afli într-o anumită poziție. Ceea ce vezi are sens de la o scenă la alta. Dacă te uiți la un obiect de la aceeași distanță, indiferent de direcție, ar trebui să apară sus. Fiecare obiect trebuie să arate și să se miște în așa fel încât să crezi că are aceeași masă ca obiectul real, că este la fel de dur sau moale ca obiectul real și așa mai departe.

Programatori care scriu jocuri pe calculator, depuneți mult efort pentru a dezvolta lumi virtuale 3D și a le face astfel încât să puteți rătăci fără să întâlniți nimic care să vă facă să vă gândiți: „Asta nu s-ar putea întâmpla în această lume!” Ultimul lucru pe care vrei să-l vezi sunt două obiecte solide care pot trece unul prin celălalt. Acesta este un memento dur că tot ceea ce vezi este o falsă. Al treilea pas implică cel puțin la fel de multe calcule ca ceilalți doi pași și trebuie să aibă loc și în timp real.

În stânga este grafică pe computer, în dreapta este un actor mocap

Iluminare și perspectivă

Când intri într-o cameră, aprinzi lumina. Probabil că nu vă petreceți mult timp întrebându-vă cum funcționează de fapt și cum vine lumina de la lampă și călătorește prin cameră. Dar oamenii care lucrează cu grafică 3D trebuie să se gândească la asta, deoarece toate suprafețele și wireframes din jur și lucruri de genul acesta trebuie să fie iluminate. O metodă, trasarea razelor, implică secțiuni ale traseului pe care razele luminoase o parcurg când părăsesc un bec, se aruncă în oglinzi, pereți și alte suprafețe reflectorizante și, în final, aterizează pe obiecte cu intensități diferite de la unghiuri diferite. Acest lucru este dificil, deoarece un bec poate produce un singur fascicul, dar în majoritatea camerelor se folosesc mai multe surse de lumină - mai multe lămpi, plafoniere(candelabre), lămpi de podea, ferestre, lumânări și așa mai departe.

Iluminarea joacă un rol esențial în două efecte care conferă aspectul, greutatea și soliditatea exterioară a obiectelor: obturarea și umbrele. Primul efect, umbrirea, este în cazul în care mai multă lumină cade asupra unui obiect dintr-o parte decât din cealaltă. Umbrirea oferă subiectului mult naturalism. Această umbrire face ca pliurile păturii să fie adânci și moi, iar pomeții înalți să pară izbitori. Aceste diferențe în intensitatea luminii întăresc iluzia generală că un obiect are adâncime, precum și înălțime și lățime. Iluzia de masă vine din al doilea efect - umbră.

Solide aruncă umbre când lumina cade asupra lor. Puteți vedea acest lucru când observați umbra pe care un ceas de soare sau un copac o aruncă pe trotuar. Prin urmare, suntem obișnuiți să vedem obiecte reale și oameni care aruncă umbre. În 3D, umbra întărește din nou iluzia, creând efectul de a fi în lumea reală, mai degrabă decât într-un ecran de forme generate matematic.

Perspectivă
Perspectiva este un cuvânt care poate însemna multe lucruri, dar de fapt descrie un efect simplu pe care l-a văzut toată lumea. Dacă stai pe marginea unui drum lung și drept și privești în depărtare, pare că ambele părți ale drumului converg într-un punct de la orizont. De asemenea, dacă copacii sunt aproape de drum, copacii mai departe vor părea mai mici decât copacii mai aproape de tine. De fapt, copacii vor părea să convergă într-un anumit punct al orizontului format în apropierea drumului, dar nu este cazul. Când toate obiectele dintr-o scenă par să ajungă să convergă într-un punct din distanță, aceasta este perspectiva. Există multe variante ale acestui efect, dar cele mai multe Grafică 3D folosește singurul punct de vedere pe care tocmai l-am descris.

Adâncimea câmpului

Un alt efect optic folosit cu succes pentru a crea obiecte grafice tridimensionale este adâncimea câmpului. Folosind exemplul meu cu copaci, pe lângă cele de mai sus, se întâmplă un alt lucru interesant. Dacă te uiți la copacii din apropiere, copacii mai departe vor părea să nu fie focalizați. Regizorii de film și animatorii pe computer folosesc acest efect, profunzimea câmpului, în două scopuri. Primul este de a spori iluzia de profunzime în scena pe care o vizionează utilizatorul. Al doilea scop este ca utilizarea profunzimii de câmp de către regizori să le concentreze atenția asupra subiectelor sau actorilor care sunt considerați cei mai importanți. Pentru a vă atrage atenția asupra altuia decât eroina filmului, de exemplu, poate fi folosită o „profunzime mică de câmp”, în care doar actorul este în centrul atenției. O scenă care este concepută pentru a vă oferi o impresie completă va folosi în schimb „adâncimea adâncă a câmpului” pentru a menține cât mai multe obiecte posibil în focalizare și astfel vizibile pentru privitor.

Netezire

Un alt efect care se bazează și pe păcălirea ochiului este anti-aliasing. Sistemele grafice digitale sunt foarte bune la crearea liniilor clare. Dar se mai întâmplă și ca liniile diagonale să aibă mâna de sus (apar destul de des în lumea reală, iar apoi computerul reproduce linii care amintesc mai mult de scări (cred că știi ce este o scară când examinezi obiectul imagine în detaliu). )). Deci, pentru a vă păcăli ochiul să vadă o curbă sau o linie netedă, computerul poate adăuga anumite nuanțe de culoare rândurilor de pixeli care înconjoară linia. Aceasta " gri Pixelii sunt ceea ce computerul îți înșală ochii, iar tu, între timp, crezi că nu mai sunt pași zimțați. Acest proces de adăugare de pixeli colorați suplimentari pentru a păcăli ochiul se numește anti-aliasing și este una dintre tehnicile care sunt create manual de grafica pe computer 3D. Altul sarcină provocatoare pentru computer este crearea de animație tridimensională, un exemplu al căruia vă va fi prezentat în secțiunea următoare.

Exemple reale

Când toate trucurile pe care le-am descris mai sus sunt folosite împreună pentru a crea o scenă uimitor de reală, rezultatul este la înălțimea efortului. Cele mai recente jocuri, filme și obiecte generate de mașini sunt combinate cu fundaluri fotografice pentru a spori iluzia. Puteți vedea rezultate uimitoare când comparați fotografii și o scenă generată de computer.

Fotografia de mai sus arată un birou tipic care folosește trotuarul ca intrare. Într-una dintre fotografiile următoare, o minge simplă a fost plasată pe trotuar și scena a fost fotografiată. A treia fotografie reprezintă utilizarea unui computer program de grafică, care a creat de fapt mingea care de fapt nu există în această fotografie. Puteți spune că există diferențe semnificative între aceste două fotografii? Cred că nu.

Crearea de animații și apariții live

Până acum ne-am uitat la instrumente care fac ca orice imagine digitală să pară mai realistă - indiferent dacă imaginea este o imagine statică sau o parte dintr-o secvență de animație. Dacă este o secvență animată, atunci programatorii și designerii vor folosi și mai multe trucuri vizuale diferite pentru a crea aspectul de „acțiune live”, mai degrabă decât imagini generate de computer.

Câte cadre pe secundă?
Când mergi să vezi un film de succes la cinematograful local, secvența de imagini numită cadre rulează cu 24 de cadre pe secundă. Deoarece retinele noastre rețin o imagine pentru puțin mai mult de 1/24 de secundă, ochii majorității oamenilor vor amesteca cadrele într-o imagine continuă de mișcare și acțiune.

Dacă nu înțelegeți ce tocmai am scris, să ne uităm la asta astfel: asta înseamnă că fiecare cadru al unui film este o fotografie făcută la o viteză a obturatorului (expunere) de 1/24 de secundă. Astfel, dacă te uiți la unul dintre numeroasele cadre ale unui film de curse, vei vedea că unele dintre mașinile de curse sunt „neclare” deoarece au fost conduse cu viteză mare în timp ce obturatorul camerei era deschis. Această neclaritate a lucrurilor create de mișcarea rapidă este ceea ce suntem obișnuiți să vedem și face parte din ceea ce face o imagine reală pentru noi atunci când o privim pe un ecran.

Cu toate acestea, imaginile digitale 3D nu sunt fotografii până la urmă, așa că nu apare niciun efect de estompare atunci când subiectul se mișcă în cadru în timpul fotografierii. Pentru a face imaginile mai realiste, estomparea trebuie adăugată în mod explicit de către programatori. Unii designeri cred că este nevoie de mai mult de 30 de cadre pe secundă pentru a „depăși” această lipsă de estompare naturală, motiv pentru care jocurile au fost împinse la următorul nivel - 60 de cadre pe secundă. În timp ce acest lucru permite fiecărei imagini individuale să apară în detaliu și să afișeze obiecte în mișcare în trepte mai mici, crește semnificativ numărul de cadre pentru o anumită secvență de acțiune animată. Există și alte anumite piese de imagini în care randarea exactă pe computer trebuie sacrificată de dragul realismului. Acest lucru este valabil atât pentru obiectele în mișcare, cât și pentru cele staționare, dar aceasta este o poveste complet diferită.

Să venim la final

Grafica pe computer continuă să uimească întreaga lume prin crearea și generarea unei game largi de obiecte și scene cu adevărat realiste, în mișcare și nemișcare. Din 80 de coloane și 25 de linii de text monocrom, grafica a avansat semnificativ, iar rezultatul este clar - milioane de oameni joacă jocuri și rulează o mare varietate de simulări cu tehnologia actuală. Noile procesoare 3D își vor face simțită prezența - datorită lor, vom putea explora literalmente alte lumi și vom experimenta lucruri pe care nu am îndrăznit să le încercăm până acum. viata reala. În sfârșit, revenim la exemplul mingii: cum a fost creată această scenă? Răspunsul este simplu: imaginea are o minge generată de computer. Nu este ușor să spui care dintre cele două este autentică, nu-i așa? Lumea noastră este uimitoare și trebuie să fim la înălțimea ei. Sper că l-ai găsit interesant și ai învățat o altă informație interesantă.

Cei implicați în dezvoltarea graficii 3D știu foarte bine că succesul în stăpânirea acestui domeniu depinde doar de răbdare. Este imposibil să stăpânești această știință „o dată”; aceasta necesită o pregătire pe termen lung. Folosind încercări și erori, citind multă literatură educațională, după o așteptare repetată și plictisitoare ca scena finală să fie redată, vine în sfârșit intuiția: „Deci așa se dovedește că ar fi trebuit făcut!”

Ca un atlet care își perfecționează abilitățile echipament sportiv, un designer de grafică computerizată folosește aceleași modele de șablon din nou și din nou pentru a-l ajuta să înțeleagă complexitatea lucrului cu programul. Imaginile și modelele familiare au fost folosite pentru testarea diferitelor funcții ale editorului 3D atât de mult încât par a fi instrumente destul de obișnuite. Între timp, multe dintre ele nu seamănă deloc cu produsele „standard”. Un model de ceainic, un cap de maimuță 3D și alte lucruri ciudate - de unde au venit?

Mulți cred că prezența unor astfel de modele neobișnuite precum Suzanne sau Teapot în programele de dezvoltare a graficii 3D este o descoperire genială a dezvoltatorilor. Într-adevăr, spre deosebire de obiectele simple obișnuite, cum ar fi o sferă, un cilindru, un cub sau un con, modelele cu geometrie neobișnuită par mai naturale. Sunt mai mulți formă complexă vă permite să detectați rapid deficiențele de iluminat și materiale. Aceste obiecte sunt foarte convenabile pentru a experimenta și a practica modelarea.

⇡ Viața dificilă a unui simplu ceainic

Soarta unor lucruri se dezvoltă uneori foarte neobișnuit. Când Martin Newell și soția sa Sandra au cumpărat un ceainic de la un magazin universal din Salt Lake City în 1974, nu și-au putut imagina că în viitor întreaga lume va ști literalmente despre acest lucru.

A fost cel mai obișnuit ceainic din ceramică produs de compania germană Melitta. O formă foarte simplă - ușor rotunjită, cu capac. Nu era nici măcar un design sau model pe el - doar un ceainic alb neted.

Newell a lucrat la dezvoltarea algoritmilor de randare pentru un editor grafic de la Universitatea din Utah. De aici provine numele ceainicului, a început să fie numit „ceainic din Utah”. Interesant este că modelul ceainicului a fost inițial însoțit de un set de căni și lingurițe. Arăta așa.

Apoi modelele de seturi de ceai au devenit confuze și a rămas doar un ceainic. Cei mai atenți utilizatori au observat probabil că, în comparație cu ceainicul din programul 3ds max, proporțiile ceainicului original Utah sunt oarecum diferite.

Așa este - obiectul original este puțin mai înalt decât modelul computerului. De ce este așa? „Părinții” primului model de computer înșiși sunt confuzi în explicațiile lor. Cel mai probabil, motivul este că memoria tampon de cadru de pe computerul cu care lucra Newell avea pixeli non-pătrați. În loc să distorsioneze imaginea, Martin i-a cerut colegul său Jim Blinn să ajusteze scara modelului pentru a elimina deformațiile întinse. Jim însuși susține că pur și simplu le-a plăcut forma la scară verticală a ceainicului, pe care l-au folosit într-o demonstrație în laboratorul lor.

Ceainicul a devenit obiectul preferat al dezvoltatorilor de grafică 3D. Cumva, imperceptibil, au început să-l folosească oriunde a fost posibil. De exemplu, computerele Commodore CBM vândute la începutul anilor 1980 aveau instalat programul demo Grafikdemo. După ce l-a lansat, utilizatorul a putut vedea rama ceainicului pe ecran. Această bază ar putea fi rotită folosind tastatura, privită din toate părțile. Astfel de manipulări simple trebuiau să facă o impresie puternică asupra utilizatorilor și să convingă un potențial cumpărător să facă o achiziție costisitoare.

Ceainicul ar putea fi văzut și în popularul screensaver 3Dpipes pentru Windows.

De asemenea, a apărut din când în când în diverse animații 3D - de exemplu, în celebrul film Pixar Toy Story, unde personajul principal bea ceai din ceainic Newell.

Chiar și desenul animat Homer Simpson dintr-unul dintre episoadele din seria Simpsons a căpătat brusc o a treia dimensiune și imediat a intrat în cadru ceainicul Utah (pentru fani, al șaselea episod al celui de-al șaptelea sezon din Treehouse of Horror VI).

Iar ceainicul din Utah (după o mică editare, și-a schimbat forma) a intrat în cadru în timp ce urmărea un alt film Pixar, „Monsters Inc”.

Apropo, studioul Pixar are și o tradiție amuzantă. În fiecare an, la următoarea expoziție Siggraph, se oferă ceainice de suvenir din Utah - jucării de mers care promovează motorul de randare RenderMan. De obicei, aceste ceainice sunt ambalate într-o cutie de ceai. Un suvenir minunat al expoziției pentru un iubitor de 3D.

Modelul tridimensional al unui ceainic a devenit semnul distinctiv al unuia dintre cei mai populari editori 3D - Autodesk 3ds max. În acest program, orice utilizator poate crea cu ușurință un ceainic, chiar și cei care nu au făcut niciodată modelare 3D.

De obicei, vasele de gătit ceramice nu durează mult. Dar această regulă nu funcționează în cazul ceainicului Newell. Nu numai că este încă în stare excelentă, dar a trecut și în domeniul public, ca să spunem așa. Proprietarul a donat-o Muzeului de Calculatoare din Boston, unde a rămas până în 1990. În prezent, această expoziție poate fi găsită în Muzeu istoricul computeruluiîn Mountain View, California.

Din când în când, celebrul ceainic călătorește la diverse evenimente - precum expoziția Siggraph. În ciuda anilor înaintați, arată curat, strălucitor și suspect de nou. Și deși proprietarii rarității ne convin că acesta este exact același ceainic cu care a început istoria animației 3D, dacă luăm în considerare distanțele pe care a trebuit să o deplaseze, este posibil să fi putut fi înlocuit în secret cu o altă copie. , deoarece modele similare se vând în continuare în cantități mari.

⇡ Iepure Stanford

Multă vreme după apariția ceainicului Utah, dezvoltatorii de grafică 3D nu au avut nicio alternativă. Trebuie să testați redarea? Desigur, se folosește un ceainic Newwell. Dar în anii nouăzeci situația s-a schimbat ușor. Au apărut noi instrumente pentru Modelare 3Dși noi modele pentru testare. Cercetătorii de la Universitatea Stanford Greg Turk și Marc Levoy s-au implicat.

De Paște în 1994, Greg a mers pe University Avenue și s-a oprit într-un magazin care vindea articole decorative pentru casă și grădină. Acolo a văzut o colecție de iepuri de lut. I-a plăcut foarte mult culoarea teracotă a argilei roșii, iar Turk a venit cu ideea că această figurină ar fi ideală pentru scanarea 3D și utilizarea în experimente 3D.

„Dacă aș fi știut că acest iepure este atât de popular, i-aș fi cumpărat pe toți!” – spuse Greg câțiva ani mai târziu. A cumpărat acest iepure și l-a adus la laborator, unde, împreună cu Mark, i-au digitalizat forma. Iepurele avea un singur dezavantaj - erau găuri în geometria lui. Pentru a simplifica rețeaua poligonului, Greg le-a pus pur și simplu cu mâna. Modelul iepurelui Stanford, care a fost obținut în urma digitizării figurinei, conținea 69.451 de suprafețe triunghiulare, în timp ce figurina originală în sine avea 19 centimetri înălțime.

De atunci, oricine poate descărca acest model direct de pe site-ul Universității Stanford.

Pe lângă iepure, există mult mai multe modele postate în depozitul Stanford, dintre care multe au devenit foarte populare și în comunitățile de grafică 3D. Unele dintre modelele 3D gratuite disponibile pentru descărcare includ o figurină de Buddha fericit, un dragon chinez popular, o statuie thailandeză frumoasă și așa mai departe.

⇡ Maimuță în Blender

Editorul Blender 3D nu are analogi. Acesta este singurul pachet profesional gratuit pentru crearea de grafică 3D care poate concura mai mult sau mai puțin în condiții egale cu astfel de „balene” precum Maya sau Lightwave.

Open source, cross-platform și capabilități enorme de modelare - putem vorbi despre avantajele acestui program pentru o perioadă foarte lungă de timp. Dezvoltatorii au făcut tot posibilul pentru a se asigura că acest program nu este în niciun fel inferior omologilor săi comerciali. Și ca și cum ar fi răspuns la ceainicul din Utah, Blender și-a integrat propriul obiect „non-standard” - o maimuță pe nume Suzanne.

Modelul acestei maimuțe are o geometrie nu foarte complexă, dar netrivială, care este ideală pentru scenele de testare și studierea setărilor de randare. Acesta este un model low-poly format din 500 de suprafețe.

Capul de cimpanzeu a apărut pentru prima dată în Blender 2.25. Atunci, în ianuarie-februarie 2002, a devenit clar că compania NaN, care promova editorul 3D plătit de atunci Blender, era în faliment și, prin urmare, nu va putea dezvolta în continuare acest proiect. Programatorii săi au adăugat o maimuță ca un fel de personaj ou de Paşteîn cea mai recentă versiune a programului creat de NaN. După aceasta, licența Blender a fost schimbată în GNU GPL, s-au strâns bani de la creditori, iar editorul 3D a devenit gratuit.

Celebra maimuță a fost modelată de Willem-Paul van Overbruggen, cunoscut și sub numele de SLiD3. El a dat numele, luând-o dintr-o comedie foarte specifică a lui Kevin Smith, Jay și Silent Bob Strike Back. Acest film a prezentat un urangutan pe nume Suzanne.

Suzanne a devenit un adevărat simbol al editorului 3D gratuit. În 2003, a fost stabilit chiar și un concurs special pentru artiștii care lucrează în Blender. Concursul anual se numește Premii Suzanne, iar câștigătorilor li se acordă drept premiu o figurină a maimuței Suzanne.

⇡ Cutia Cornell: experimente cu lumină

Una dintre cele mai multe etape importante lucru pe o scenă tridimensională - vizualizare. Și aici, trebuie spus, nu totul depinde de utilizator. În unele cazuri, chiar și o cunoaștere aprofundată a parametrilor de randare nu este o garanție a imaginilor extrem de realiste. Calitatea imaginii finale este determinată de condițiile de vizualizare și, cel mai important, de algoritmul de calcul al luminii.

În lumea reală, totul este guvernat de procese fizice. Legile opticii, precum și proprietățile materialelor, determină imaginea lumii din jurul nostru. Obiectele din sticlă sunt percepute de ochii noștri ca fiind transparente, coaja de lămâie apare în relief, iar gerul de gheață apare mat. Algoritmul de vizualizare 3D folosit pentru randare încearcă să reproducă toate aceste fenomene și proprietăți materiale prin simularea proceselor fizice. Cu toate acestea, problema este că acest algoritm este imperfect și, ca orice problemă de fizică școlară, folosește multe ipoteze și convenții.

De exemplu, cel mai simplu principiu pentru calcularea umbrelor este trasarea. Oferă doar o idee despre unde va fi conturul umbrei aruncate. Cu toate acestea, în viața reală, umbrele nu sunt întotdeauna ascuțite - cel mai adesea există o reflexie multiplă a luminii, atunci când fasciculul este reflectat de mai multe ori de la obiecte, transferând culoarea obiectelor învecinate în alte zone și făcând umbrele „moale”. În grafica 3D, această proprietate este descrisă de algoritmi globali de iluminare.

În 1984, o echipă de oameni de știință din departamentul de grafică de la Universitatea Cornell dezvolta noi algoritmi de urmărire a luminii. Lucrarea lor s-a numit „Modelarea interacțiunii luminii cu suprafețele difuze”. Pentru omul obișnuit, acest nume nu va însemna nimic, dar un specialist în grafică 3D va ghici fără greșeală în această frază unul dintre principiile de calcul al luminii într-o scenă 3D - „iluminarea globală”. În același an, la populara expoziție Siggraph, specialiștii Universității Cornell au demonstrat avantajul sistemului lor folosind exemplul unei scene tridimensionale simple - un cub gol, în interiorul căruia se aflau cele mai simple primitive.

Acest cub a jucat rolul unei camere, un spațiu închis și a servit ca model simplificat pentru simularea propagării realiste a luminii. Modelul cu cutie, numit cutie Cornell, este extrem de simplu, lumina din el face reflexii previzibile, iar prin urmare designul simplu s-a dovedit a fi foarte practic si convenabil. Atât de convenabil încât este încă folosit de specialiștii în grafică 3D până în prezent, creând algoritmi de vizualizare și testând noi metode de calcul al iluminării.

Pereții din interiorul cutiei Cornell sunt vopsiți în diferite culori. Aşa, partea stângă este roșu, cel din dreapta este verde, peretele din spate, precum și „tavanul” și „podeaua” sunt albe. Acest lucru este necesar pentru ca cercetătorul care efectuează experimente pe acest model să poată vedea transferul de culoare către suprafețele adiacente. Puteți observa cel mai simplu exemplu al acestui efect - puneți ceva galben foarte strălucitor pe o foaie de hârtie albă curată și veți vedea cum foaia va dobândi o nuanță gălbuie de-a lungul perimetrului acestui obiect. Dacă randați folosind algoritmi de iluminare globală, un efect similar va avea loc în caseta Cornell.

⇡ Primele animații 3D pe computer

Laboratoarele Bell a fost întotdeauna una dintre cele mai mari și mai promițătoare echipe de oameni de știință. S-au ocupat de cele mai presante probleme din diverse domenii ale științei. De-a lungul anilor de existență, oamenii de știință de la Bell Laboratories au primit de șapte ori Premiul Nobel.

Și este destul de firesc că prima simulare tridimensională a fost realizată de specialiști din acest centru. În 1963, un angajat al Laboratoarelor Bell pe nume Edward E. Zajac a demonstrat un program scris în Fortran pentru a simula mișcarea unui satelit.

Nu și-a propus să creeze prima animație 3D, dar exact asta s-a întâmplat.

În acel moment, a lucrat în departamentul de cercetare matematică și s-a angajat în modelare matematică pentru a crea mecanisme cu un sistem de stabilizare dual-giroscopică, care ar putea fi folosit în primii sateliți de comunicații. Folosind programul ORBIT (scris de un alt angajat al Laboratoarelor Bell), omul de știință și-a procesat calculele, producând un set de carduri perforate cu rezultatele. Folosind un înregistrator de computer General Dynamics Electronics Stromberg-Carlson 4020, a tipărit microfilmul animației.

Intriga sa este simplă - două obiecte sunt conectate între ele prin forța gravitației și un obiect se rotește în jurul celui de-al doilea, cum ar fi, de exemplu, Luna în jurul Pământului. Grafica, după cum puteți vedea, este minimă, dar este 1963 și aceasta este cu adevărat prima animație 3D.

Un alt angajat al Bell Laboratories care a căutat să găsească o modalitate de a realiza o animație 3D pe computer a fost A. Michael Noll.

Folosind un computer IBM 7094 în anii 1965-66, a realizat mai multe scurtmetraje, precum un „balet pe computer”, unde, cu o bună imaginație, se pot vedea figurile dansatorilor cu un singur picior mișcându-se în spațiul tridimensional. Cel mai probabil, acesta este un balet de gheață. O structură articulată formată din mai multe puncte nodale a fost luată drept „dansatori”. Această opțiune a făcut posibilă simplificarea calculelor greșite.

Și pentru ca nimeni să nu aibă nicio îndoială că această animație este tridimensională, Michael Noll a vizualizat-o în modul stereoscopic, desenând videoclipul separat pentru ochiul drept și cel stâng. În plus față de „baletul pe computer”, Michael a avut și câteva animații stereoscopice interesante cu un cub cu patru dimensiuni, o sferă cu patru dimensiuni etc. Toate imaginile din animație sunt „inversate”, adică în stânga este o imagine. pentru ochiul drept, iar în dreapta este o imagine pentru ochiul stâng. Așadar, dacă vrei să le urmărești, concentrează-ți vederea în fața ecranului monitorului.

⇡ Primul model 3D al unei mașini: cum să scanați cu mâinile

Producția multor lucruri la mijlocul secolului trecut a fost mult mai lentă în comparație cu ceea ce este acum. Procesul de creare a unui prototip, să zicem, a unei mașini, a fost foarte lung și complex. Dar totul s-a schimbat când Ivan Edward Sutherland a început să dezvolte o interfață interactivă care să-i ajute pe oameni și computerele să „comunice” între ele.

Ivan Sutherland a fost întrebat odată cum a putut să vină și să creeze atât de multe idei revoluționare într-un timp atât de scurt, de la conceptul de interfață a tuturor sistemelor CAD până la abordarea orientată pe obiecte a programarii. Ca răspuns, Sutherland a zâmbit și și-a întins mâinile: „Dar nu știam atunci că totul era atât de complicat!”

În 1963, ca parte a tezei sale, Ivan Sutherland a demonstrat un „desenator robot” (acesta este numele neoficial al proiectului - Robot Draftsman). Acest program a devenit prima verigă în evoluția sistemelor de proiectare asistată de computer, care astăzi sunt cunoscute sub numele de Sketchpad.

Folosind un computer și un stilou luminos conectat, operatorul putea desena direct pe ecranul de afișare. Calculatorul a determinat coordonatele punctelor de contact ale stiloului luminos și apoi a calculat geometria curbei, liniei drepte sau figură geometricăși a afișat aproape instantaneu rezultatul pe ecran.

Simplu după standardele actuale, Sketchpad necesita o putere de calcul fantastică la acea vreme. A rulat pe computerul TX-2, care ocupa mai multe camere la Laboratorul de Cercetare Lincoln al MIT.

În videoclipul de mai jos, Sutherland demonstrează capacitățile noii interfețe om-mașină.

Sistemul său a făcut posibil să se facă lucruri incredibile pentru anii 1960 - trage linii punct cu punct și creează desene reale pe ecran. Sketchpad vă permitea, de asemenea, să faceți modificări pe măsură ce lucrați și să scalați elemente de desen gata făcute.

Una dintre cele mai importante cerințe pentru Sketchpad pe care Ivan le-a propus a fost ca instrucțiunile operatorului să fie urmate cu acuratețe. Acest lucru a fost destul de dificil de implementat, deoarece utilizatorul putea „rata” la punctul dorit, iar dispozitivul de introducere a datelor în sine era imperfect. Pentru a elimina această problemă, Sketchpad a folosit un sistem de așa-numite limitatoare. Aceste opriri au făcut posibilă manipularea detaliilor desenului cu precizie absolută, cum ar fi realizarea de linii drepte paralele sau a două segmente de aceeași lungime. Pentru a utiliza aceste limitatoare, a fost folosit un întreg set de taste funcționale, care era situat lângă ecranul de introducere a datelor.

Dar la această prezentare, autorul primului software CAD arată deja o versiune complet funcțională a unei interfețe interactive cu mai multe ferestre de proiecție și vorbește foarte înțelept despre posibilitățile potențiale de lucru cu 3D.

Pentru dezvoltarea lui Sketchpad, Ivan a primit cel mai prestigios premiu al Asociației pentru Mașini de Calcul în domeniul informaticii, Premiul Turing.

Educatorii moderni pot învăța multe de la Sutherland. Acest om s-a dedicat complet științei. De ce, literalmente nu a cruțat o mașină în acest scop. Împreună cu studenții săi, Ivan a realizat prima scanare digitală 3D a unui Volkswagen Beetle manual. Da, exact manual.

Sarcina a fost foarte grea. Pe atunci nu existau scanere digitale sau fotografie digitală, așa că totul trebuia făcut direct. Elevii s-au târât în ​​jurul mașinii ca niște furnici și, folosind rigle speciale de măsurare, au desenat pe ea o plasă poligonală, ceea ce astăzi specialiștii în grafică 3D numesc un cadru de sârmă sau un cadru al unui model 3D. Înainte de a începe lucrul, unele părți au fost îndepărtate din mașină - roți, bară de protecție etc., deoarece o bază a fost „digitizată” - din toate părțile, de sus în jos. A fost justificat un astfel de sacrificiu? Cu siguranţă! Datorită ridicării „bugului”, Sutherland a dezvoltat o tehnică de proiectare a rețelelor poligonale pe un obiect, așa cum a apărut grafica 3D modernă.

De asemenea, Ivan a reușit să intereseze mulți oameni în munca sa, care au continuat să dezvolte direcția graficii pe computer 2D și 3D. Și pe fundalul succesului, toată lumea a uitat cumva că Volkswagen Beetle îi aparținea de fapt soției lui Ivan, iar reacția ei la actul soțului ei a rămas un mister.

Și cine erau acești studenți „furnici”? Printre ei au fost multe personalități strălucitoare. Unul dintre cei care au realizat modelul de mașină se numea John Edward Warnock. La zece ani de la această poveste, el va deveni co-fondator al cunoscutei companii Adobe.

La crearea acestui model a participat și cercetătorul junior B˘i T˝ờng Phong. Astăzi, modelul lui Phong este folosit în multe motoare 3D.

Pe un model al primei mașini 3D, Phong și-a testat faimosul sistem de umbrire, care mai târziu și-a primit numele - Phong. În orice editor tridimensional în care este posibilă personalizarea materialelor, printre alte opțiuni, puteți selecta algoritmul de umbrire Phong. Metoda lui Phong se bazează pe interpolarea normalelor de suprafață din poligoane rasterizate și vă permite să calculați culoarea pixelilor luând în considerare normala interpolată și modelul de reflexie a luminii.

Proiectul lui Sutherland nu avea practic analogi. Singurul sistem care avea un principiu similar a fost o dezvoltare comercială a General Motors și IBM, care a fost numită DAC-1 (Design Augmented by Computers). Această consolă era, de asemenea, controlată cu ajutorul unui stilou, dar era mai puțin convenabilă și, de asemenea, costisitoare.

⇡ Unul rămas: prima animație computerizată a unei mâini

Obiceiul de a urmări puterea hardware-ului computerului a dus la răspândire printre utilizatori credința că fără o placă video modernă este imposibil să se obțină o imagine 3D. Dar acest lucru nu este deloc adevărat. Imaginează-ți că a treia dimensiune a fost încercată în urmă cu mai bine de jumătate de secol. Chiar înainte de acel moment important în care computerul a devenit cu adevărat personal, inginerii puteau (și au făcut) să facă animație 3D. Și viitorul fondator și președinte al studioului Pixar, precum și șeful Walt Disney Animation Studios și DisneyToon Studios, Edwin Catmull, au contribuit la asta.

Și a făcut-o în sensul literal al cuvântului - și-a digitalizat mâna stângă și a creat o animație demonstrativă a mișcărilor degetelor pe ea.

Catmull a fost interesat de procesul de creare a animației încă din copilărie. Avea chiar și propriul stand de casă, unde Edwin a încercat să facă primele desene primitive. Cu toate acestea, la fel ca mulți alți absolvenți de studii superioare instituţiile de învăţământ, nu și-a găsit imediat chemarea. Imediat după absolvirea Universității din Utah, a plecat mai întâi să lucreze pentru Boeing, dar un an mai târziu, criza economică a forțat Boeing să concedieze mii de angajați, iar Ed se numără printre aceștia. Proaspătul absolvent s-a întors apoi la universitate pentru a urma studii superioare.

Ivan Edward Sutherland, pe atunci profesor la Universitatea din Utah, a devenit un mentor al lui Catmull și l-a încurajat pe tânărul absolvent să studieze grafica interactivă pe computer. Catmull a folosit aceeași metodă ca și Ivan pentru a-și digitaliza mașina. Crearea animației de mână 3D a fost realizată în mai multe etape. În comparație cu proiectul la scară largă al lui Ivan de a digitiza Volkswagen Beetle, Catmull a avut-o puțin mai simplu - pur și simplu și-a pictat o turnare a mâinii stângi, marcând locația marginilor și nodurilor rețelei poligonale de pe ea. Apoi, în laborator, această plasă a fost citită de un dispozitiv special și a fost compilat un model tridimensional din datele obținute.

Catmull a scris un program pentru a anima acest model. Această animație a fost redată și folosită ca un plus frumos pentru proiect de absolvire. Suprafața mâinii a fost deformată, degetele îndoite și neîndoite, iar mâna însăși s-a rotit pe ecran. Pentru un efect mai mare, Catmull a permis chiar o „privire” în interiorul modelului, demonstrând privitorului că mâna 3D era goală în interior.

Munca tinerilor oameni de știință nu a fost în zadar. Un model al unei mâini care se rotește în spațiul 3D a fost folosit în filmul științifico-fantastic Futureworld din 1976. Era vorba despre un hotel de stațiune al cărui personal este format din roboți. Pentru a imita tehnologia înaltă, totul a fost folosit - atât animația redată, cât și scheletul unui model 3D.

Pe lângă această mână 3D, studenții au creat o lucrare și mai complexă - un model animat al unui cap uman.

A fost pregătit de prietenul și colegul lui Catmull, Fred Parke, care a participat și la digitalizarea modelului mâinii stângi a lui Edward.

A încercat chiar să sincronizeze sunetul și mișcările buzelor modelului computerizat. Și asta a fost în 1974!

Elevii au numit modelul unei persoane Chel, adică „chel”. Cadrul său era format din 900 de triunghiuri.

La mijlocul anilor optzeci, laboratorul lui Dominic Massaro a continuat să lucreze la acest model și, folosind o tehnică mai avansată, a „revitalizat” capul, oferindu-i un set larg de expresii faciale verbale. Profesorul Massaro însuși a schimbat ușor numele în stil italian - Baldi și l-a înregistrat ca marcă comercială. Și nu cu mult timp în urmă, sub conducerea sa, a fost lansată lansarea unei aplicații pentru iOS, în care există un cap 3D vorbitor, realizat încă în anii șaptezeci.

Termenul „animație pe computer” la mijlocul secolului trecut era ceva foarte exotic. Calculatoarele, precum și dispozitivele de imprimare, erau doar la dispoziția organizațiilor de cercetare și, desigur, a armatei. Ei bine, în Uniunea Sovietică, oamenii nu auziseră niciodată de animație pe computer, cu excepția unui mic grup de entuziaști care au presupus că este foarte posibil să „deseneze” animația folosind tehnologia computerizată. Unul dintre acești oameni este matematicianul Nikolai Nikolaevich Konstantinov.

Acest om este o adevărată legendă a matematicii rusești. Konstantinov este unul dintre cei mai talentați și extraordinari oameni de știință care a reușit nu numai să aducă o contribuție uriașă la știința autohtonă și sistemul de educație, ci și să transmită cunoștințele sale generațiilor următoare. Printre elevii săi se numără mulți mari matematicieni și oameni de știință, ca să nu mai vorbim de câștigătorii concursurilor și olimpiadelor de matematică.

În 1968, a creat prima animație pe computer de un minut și jumătate. Obiectul atenției sale a fost pisica, de unde și numele mini-animației - „Pisicuță”.

Matematicianul a decis să creeze un desen animat programând mișcările pisicii și imprimând fiecare cadru al animației cu o siluetă redesenată. Implementarea unei astfel de idei ar putea apărea doar de la o persoană care nu numai că are o înțelegere excelentă a matematicii superioare, dar vede și aplicarea sa practică.

Deoarece mușchii animalului, atunci când se contractă, controlează accelerația anumitor părți ale corpului, Konstantinov a decis că baza algoritmului de mișcare a animalului ar putea fi ecuații diferențiale de ordinul doi. O interpretare grafică a siluetei pisicii a fost realizată folosind o matrice de caractere. Matematicianul a spart conturul pisicii în „bare” parametrice, iar apoi, folosind formule ipotetice care descriu mersul animalului, a recreat un scenariu simplu de mișcare care includea mai mulți pași, întorcând capul și încetinind.

În această lucrare, el a fost ajutat de doi studenți MSU - Vladimir Ponomarenko și Viktor Minakhin. Nikolai Nikolaevici și-a amintit mai târziu un detaliu amuzant al acestui proiect: pentru a obține formula corectă pentru mișcările unei pisici, Victor a încercat să imite o pisică - s-a lăsat în patru picioare și a mers pe podea, încercând să înțeleagă care mușchi erau. implicat în lucrare.

Deși Konstantinov însuși a negat ulterior realismul rezultatului obținut, invocând natura ipotetică a calculelor matematice, este dificil să nu observăm cât de credibil se mișcă animalul în cadru.

La Departamentul de Probleme Generale de Management al Facultății de Mecanică și Matematică a Universității din Moscova a fost pregătită partea teoretică a acestei probleme și depanarea programului de calcul în sine ecuații diferențiale iar funcționarea sa a fost efectuată la Centrul de calcul al Institutului Pedagogic de Stat din Moscova. Calculatorul care a fost folosit pentru a calcula această animație a fost numit cu mândrie BESM-4 („Mașina de calcul mare electronică”).

BESM-4 avea foarte puține în comun cu ceea ce numim astăzi computer. Doar 30 de astfel de dispozitive au fost lansate în toată țara. RAMîn BESM-4 a fost realizat pe miezuri de ferită (8192 de cuvinte, cuvinte de 45 de biți, organizate în două cuburi a câte 4k cuvinte fiecare). Productivitatea acestui „cabinet” a fost de până la patruzeci de mii de operații pe secundă. Imprimanta pentru o mașină electronică mare de calcul avea un nume la fel de încăpător - dispozitivul de imprimare alfanumeric ATsPU-128.

Dacă vă uitați îndeaproape la redarea cadru cu cadru, puteți vedea artefacte minore nedorite aleatorii - în felul lor, acestea sunt primele „eșecuri” ale vizualizării pe computer, adică randarea.

În ceea ce privește fața pe care o face pisica la începutul scurtmetrajului, aceasta nu este opera unui matematician, ci a unui artist vesel care a făcut animație pentru filmul sovietic de neuitat” Băieți veseli" De asemenea, a fost invitat să lucreze la acest proiect.

Interesant este că la acea vreme Konstantinov nu era singura persoană din URSS care folosea metoda animației pe computer. Cu toate acestea, alte încercări de vizualizare pe computer, cum ar fi animarea proceselor din interiorul unei molecule de ADN, erau plictisitoare și neclare pentru un spectator nepregătit.

⇡ Concluzie

În zilele noastre computerul este un instrument universal. Poate fi folosit pentru desen, crearea de animații și pregătirea videoclipurilor. Singurul lucru care îi lipsește este creativitatea. Cu toate acestea, poate că aceasta este o chestiune de timp.

Apariția tehnologiei computerizate și dezvoltarea graficii computerizate, într-un fel, le-au permis oamenilor să arunce o privire nouă asupra lumii. O mare parte din ceea ce era anterior inaccesibil vederii umane, ceea ce era prea rapid sau prea lent, foarte mic sau prea mare, a devenit evident și de înțeles în modelul computerizat. Medicina, tehnologie, inginerie, spatiu - grafica computerizata este folosita in orice domeniu al activitatii umane. Ceea ce a început ca un punct obișnuit de lumină pe un ecran, un singur pixel, care afișează informații minime pe computer, s-a transformat treptat într-o linie, o imagine în mișcare pe ecran și apoi în realitate virtuală și augmentată. Și limita acestei evoluții a pixelilor este undeva cu mult dincolo de înțelegerea umană. Și cel mai probabil, cel mai interesant urmează să vină.