3d моделирование история появления
Урок 3D истории
Что такое трехмерная графика? Определений этого понятия существует достаточно много. Трёхмерная графика — раздел компьютерной графики, охватывающий алгоритмы и программное обеспечение для оперирования объектами в трёхмерном пространстве, а также результат работы таких программ. Слишком формально? Хорошо, предложим другое определение, позаимствовав его у Михаила Марова. В одной из своих книг он приводит следующую формулировку: «3D графика предназначена для имитации фотографирования или видеосъемки трехмерных образов объектов, предварительно подготовленных в памяти компьютера». Определений одного и того же понятия существует десятки, но суть, ядро столь обширной области деятельности остается неизменным. CG является результатом усилий сотен специалистов, которые в далекие годы работали и верили в то, что будущее будут определять компьютерные технологии и 3D в частности. Сегодня мы расскажем о наиболее выдающихся личностях и технологических решениях, заложивших фундамент современной 3D индустрии. Пафосно звучит? Безусловно, а как иначе, ведь 3D – это творчество без границ!
Великие и могучие (60-е – 70-е)
Одним из отцов компьютерной графики специалисты называют Ивана Сазерленда, который, будучи аспирантом, написал программу Sketchpad, позволявшую создавать простенькие трехмерные объекты. После защиты диссертации на тему «Наука компьютерной графики» Иван и доктор Дэвид Эванс (David Evans) открывают в университете города Юты первую кафедру компьютерной графики. Молодые и амбициозные друзья–коллеги ставят перед собой благородную цель – привлечение талантливых ученых-энтузиастов для разработки перспективной области высоких технологий.
Среди студентов оказался и Эд Катмулл (Еd Catmull), ныне технический директор корпорации Pixar. Именно Эд Катмул впервые смоделировал объект. В качестве предмета для моделирования выступила кисть его собственной руки. Между прочим, Джим Блинн (Jim Blinn), создатель bump mapping и environment mapping, первых компьютерных анимаций для NASA и, конечно же, знаменитого материала blinn, являлся студентом Ивана Сазерленда. О себе товарищ Блинн говорит следующее: «В детстве я любил коллекционировать почтовые марки, сейчас же предпочитаю собирать упаковки от маргарина и алгоритмы для рисования кружочков». Иван Сазерленд с большим уважением относится к своему ученику, и в одном из интервью прославленный ученый заметил: « В мире существует не больше дюжины истинных творцов компьютерной графики и Джим – это ровно половина от общего числа». Сумасшедшая концентрация интеллектуальной энергии в районе университета Юты, по-видимому, никому не давала спать спокойно и просто-таки заставляла людей безудержно мыслить и творить. Например, техника Phong shading была разработана вьетнамским тридэшником Би Тюн Фонгом (Bui Tuong Phong), который также являлся студентом кафедры компьютерной графики в Юте. А принцип Gouraud shading родился в голове французского ученого Анри Гюра (Henri Gouraud), преподававшего в теперь уже хорошо знакомом читателю университете Юты.
Information International Inc (Triple-I)
 | Ну а раз уж упомянули MAGI/Synthavision, то следует рассказать и о компании Triple–I, которая также внесла огромный вклад в развитие 3D технологий. Компания была открыта в 1962 году и изначально специализировалась на производстве оборудования для сканирования видеоматериала. В 1975 году руководство компании открывает отделение компьютерной графики и анимации. В отличие от компании MAGI, использовавшей геометрические фигуры, Triple-I задействовала в качестве простейших единиц треугольники и квадраты. Такой метод моделирования получил название «полигонального». Компания Triple-I также принимала участие в работе над фильмом «Трон». |
Через тернии к звездам ( 80-е – 90-е)
Первые компьютеры были невероятно большими, а компьютерная графика, производимая ими, неуклюжей и тяжеловесной. К счастью, этап эволюции компьютерных технологий не растянулся на миллионы лет, и этому в значительной степени способствовало изобретение микропроцессора. Маленькая деталь позволила уменьшить компьютер до вполне разумных размеров. Начали появляться первые микрокомпьютеры, в народе именуемые домашними – прообразы современных персональных компьютеров. Всеми любимая и уважаемая компания Intel в 1974 году удивляет публику, выпустив в 8 битный процессор Intel 8080. Компании-конкуренты не отстают. К примеру, Motorola выпускает в том же году процессор 6800. Настоящим хитом продаж становится домашний компьютер Apple II, представленный публике в 1977 году. В 1981 году известный журнал «Тime» помещает на обложку персональный компьютер IBM и присваивает ему титул «Лучший товар года».
Первые персональные компьютеры отличались малой мощностью, что немало препятствовало работе с 3D графикой. Для качественной и быстрой работы необходимы были усиленные рабочие станции. В роли спасителя выступил профессор Стэнфордского университета (опять Стэнфорд. ) Джим Кларк (Jim Clark), который, оставив кафедру компьютерной графики, открывает вместе с Эбби Сильверстоуном (Abbey Silverstone) компанию Silicon Graphics в ноябре 1981 года. Между прочим Джим Кларк также является одним из основателей компании Netscape (1992). Первым детищем SGI стал IRIS 1000 – серия машин SGI, работающих с процессором Motorola 68000 и материнской платой Sun-1. Вскоре SGI начинает выпускать машины, работающие под операционной системой Unix. Венцом серии IRIS следует признать модель IRIS 3130, которая работала на процессоре Motorola 68020, усиленном математическим сопроцессором компании Weitek. Преимуществом SGI в сравнении с моделями компьютеров других производителей являлся программно-аппаратный комплекс Geometry Pipelines, который увеличивал скорость работы с 3D.
С распространением 3D технологий и их внедрением в развлекательную индустрию наибольшего успеха добиваются графические станции SGI серии IRIS 4D, которые оснащаются мощными системами визуализации Onyx, способными уместить до 64 процессоров. Графические станции оснащаются 64 битными микропроцессорами MIPS. Этими машинами оснащаются крупнейшие голливудские 3D студии: ILM и Digital Domain. Графические станции SGI обладали большой производительностью и невероятно высокой стоимостью. Одним словом, рабочие станции SGI были ориентированы на небольшую целевую аудиторию, состоящую из одних профессионалов.
Графические пакеты в контексте развлекательной индустрии
Сегодняшний рынок 3D пакетов отличается большим разнообразием. Цены на софт упали в десятки раз, поэтому лицензионное программное решение могут позволить себе многие. А в начале 90-х годов прошлого столетия трехмерная графика для большинства людей была не более чем очередной «заумью» ученых, поэтому прикоснуться к миру 3D могли лишь избранные. Более того, изначально не было комплексных программных решений, которые бы соединяли в себе функции по моделированию, анимации и рендерингу. Одним из первых комплексных пакетов для моделирования и рендеринга был Lightwave 3D, выпущенный в 1990 году для компьютеров серии Amiga. Специалисты компании соединили два программных пакета: Aegis Modeler (моделирование) и Videoscape (рендеринг и анимация). Изначально Lightwave 3D был приложением программного комплекса Video Toaster. Полноценная и независимая версия была выпущена в 1994 году.
В последние несколько лет устойчивыми лидерами в области моделирования и анимации являются всем известные коммерческие продукты, такие как Maya, Lightwave, 3dMAX, XSI и Houdini. Тем не менее, уверенно набирают популярность и открытые продукты, распространяемые бесплатно, например, полнофункциональный пакет Blender3D (позволяет производить модели с последующим рендерингом) и Wings3D. Производители прекрасно понимают, что совместимость с максимально большим количеством программ и приложений способствует росту продаж, поэтому появляющиеся программные решения не имеют проблем с интеграцией.
Следует отметить также усилившуюся тенденцию к выпуску узконаправленных программ, вроде Renderman и Mental Ray в качестве плагинов для универсальных 3D пакетов. В любом случае место под солнцем найдется для всех, потому что мир окончательно и бесповоротно попал в 3D сеть технологического прогресса.
История 3D-графики: от Евклида до наших дней
В рамках проекта «Университет, открытый городу: Лекции молодых ученых Вышки в Культурном центре ЗИЛ» старший преподаватель департамента компьютерной инженерии Алексей Соболевский рассказал о том, как человечество научилось воспринимать и воспроизводить мир объемным.
Геометрия на компьютере
Первую кафедру компьютерной графики, в Университете Юты, открыли в 1960-х годах Айван Сазерленд и Дэвид Эванс. Сазерленд создал программу, которая являлась прообразом всех современных 3D-редакторов и CAD-систем — Sketchpad. На кафедре Сазерленда и Эванса работали такие люди, как Джим Блинн (создатель многих алгоритмов текстурирования), Би Тюн Фонг и Анри Гуро, которые также приложили руку к развитию алгоритмов затенения и текстурирования (Phong shading и Gouraud shading). Студентом Сазерленда также был Эд Катмулл — впоследствии технический директор и президент Pixar Animation Studios, кинокомпании, которая подарила нам «Историю игрушек», первый полнометражный анимационный фильм, созданный в трехмерных редакторах и программах трехмерной анимации. Его сборы по миру превысили 380 миллионов долларов, его триквел стал первым анимационным фильмом, собравшим в мировом прокате более миллиарда долларов, а про славу, которую этот мультфильм принес компании Pixar, даже говорить не нужно.
Но «История игрушек» вышла на экраны в 1995 году, а премьера первого фильма с использованием отдельных элементов трехмерной графики (Futureworld) состоялась еще в 1976-м. В то же время создавались первые программы 3D-моделирования, первые алгоритмы трассировки лучей для рендеринга трехмерной сцены и активно развивался полигональный метод моделирования трехмерных объектов, который сейчас является основным.
В середине 1980-х появились первые стандарты и адаптеры для обработки двумерной графики — MGA, CGA, EGA. Сейчас это кажется странным, но в начале 1980-х палитра в 16 цветов была пределом мечтаний для любителей компьютерной графики, да и из этой палитры можно было одновременно использовать только 4 цвета для вывода изображения. А разрешения экранов вообще измерялись не пикселями, как сейчас, а строками, так как в то время еще не стояла остро задача выводить изображения на дисплей.
Все открытия, которые были сделаны в математике до XX века, так или иначе являются базисом современной трехмерной графики
Но время шло, на смену видеоадаптерам пришли комбинации в виде адаптера и 3D-ускорителя, отвечающего исключительно за обработку трехмерных объектов, потом эти разные по классу устройства объединились в одно — видеокарту, обрабатывающую сразу и 2D-, и 3D-графику. К классическим обработчикам графической информации добавились специальные обработчики шейдеров — микропрограмм, которые сейчас отвечают за обработку большинства довольно сложных визуальных эффектов (бликов, дыма, отражений).
В 1998 году частоты, на которых работала память видеокарты, были в сто раз меньше, чем сейчас; объем памяти за это время вырос практически в тысячу раз. Про производительность даже говорить не приходится — видеокарты конца 90-х не могут решить и малой доли задач, которые современные видеокарты выполняют сотни раз в секунду.
Но в основе этого прогресса, да и самой идеи передачи трехмерного изображения, лежат научные открытия, сделанные даже не десятки, а сотни и тысячи лет назад. Без геометрии и функций невозможно задать поверхность в пространстве, без описания поверхности невозможно создать ее представление в компьютерной графике с помощью кривых, полигонов или вокселей. Все открытия, которые были сделаны в математике до XX века, так или иначе являются базисом современной трехмерной графики.
Создатели пространства
Евклид нам известен больше как основоположник «евклидовой геометрии», но мало кто понимает, что аксиомы, которые он ввел в своем 13-томном собрании «Начала», были многократно доработаны и формализованы, прежде чем дошли до наших дней. Однако его трактат является одним из первых действительно систематизированных собраний аксиом и теорем в области математики и геометрии.
Все (ну или почти все) знают про формулы Виета для нахождения корней квадратичного уравнения, однако многим ли известно, что именно он положил начало символьному анализу в алгебре, в результате чего все мы сейчас обозначаем неизвестные как x, y или z, а коэффициенты — как a, b, c? Без его трудов ни одна формула, отражающая функцию в трехмерном пространстве, не выглядела бы так, как она выглядит сейчас.
А что же Декарт? Из школьных учебников мы помним про декартово произведение и декартову систему координат, однако нам забывают объяснить, что свои открытия этот человек делал во времена инквизиции. Решиться на то, чтобы опубликовать труды по аналитической геометрии, когда «наградой» за научное открытие могло стать аутодафе, требовало немалого мужества. Именно исследования Декарта стали решающим шагом в переходе к понятию «функция», а без «функции» не существовало бы современной математики, программирования и многих других областей.
Интересно, могли ли Евклид, Декарт и Эйлер представить, какой технологический прорыв готовят их открытия? Могли ли вообразить, что люди создадут экран, с которого мы читаем этот текст
Спустя десятилетия после Декарта в математике наступила эпоха Эйлера. Он положил начало топологии, написал первый учебник по аналитической геометрии и основам дифференциальной геометрии. Кстати, Густав Эйлер почти полжизни прожил в России, был здесь избран академиком и даже похоронен в Санкт-Петербурге.
В истории 3D-графики не обошлось и без других российских ученых. Так, в начале XX века в России жили Борис Делоне и Георгий Вороной. Первый предложил метод триангуляции, который стал основой для создания современных методов разбиения поверхности трехмерных объектов на так называемые полигоны. Второй создал «диаграмму Вороного», которая тесно связана с триангуляцией Делоне. Прошло сто лет, а математическая составляющая этой диаграммы и сейчас применяется в анализе данных при кластеризации объектов.
Помимо алгоритмов развивались техника и технологии для обработки подобного рода информации. Нельзя не упомянуть имя Алана Тьюринга, который участвовал в разработке первого транзисторного компьютера в мире — «дедушки» современных iMac’ов и PC. В 1956 году Уильяму Шокли, Джону Бардину и Уолтеру Браттейну была присвоена Нобелевская премия по физике за открытие биполярных транзисторов. На транзисторах сейчас базируется практически вся электроника включая видеокарты современных компьютеров. Конечно, на развитие современной полупроводниковой схемотехники повлияли и исследования Жореса Алферова, также лауреата Нобелевской премии.
Что дальше?
Прогресс техники и технологий привел к тому, что в современной видеокарте более 4 миллиардов транзисторов. Техпроцесс, по которому сейчас создаются видеокарты, — 20 нанометров. Это в сотни раз меньше, чем толщина волоса. Мы дошли до следующего этапа развития вычислительных систем — начали придумывать задачи, не связанные с обработкой трехмерной графики, чтобы загружать вычислительные мощности видеокарт в свободное время. Были созданы особые спецификации и языки для работы с многопоточными многоядерными системами, которыми являются современные видеокарты.
Кластеры, в которые объединяют графические адаптеры, используются в совершенно разных областях — химии, прикладной физике, наноэлектронике, медицине. Благодаря технологическим возможностям видеокарт ученые, моделируя процесс свертывания белков, могут быстрее найти, к примеру, лекарство от рака или болезни Альцгеймера. По результатам таких проектов пишутся сотни научных работ на темы, уже не связанные непосредственно с трехмерной графикой.
Современные вычислительные мощности, используемые в этих проектах, являются прямым результатом эволюции человеческой мысли, трудов сотен философов, математиков и инженеров. Интересно, могли ли Евклид, Декарт и Эйлер представить, какой технологический прорыв готовят их открытия? Могли ли вообразить, что люди создадут экран, с которого мы читаем этот текст, и технику, которая обрабатывает и выводит символы и изображения?
3d моделирование история появления
Компьютерная графика в начальный период своего возникновения была далеко не столь эффектной, какой она стала в настоящие дни. В те годы компьютеры находились на ранней стадии развития и были способны воспроизводить только самые простые контуры (линии). Идея компьютерной графики не сразу была подхвачена, но ее возможности быстро росли, и постепенно она стала занимать одну из важнейших позиций в информационных технологиях.
Первой официально признанной попыткой использования дисплея для вывода изображения из ЭВМ явилось создание в Массачусетском технологическом университете маш ины Whirlwind-I в 1950 г. Таким образом, возникновение компьютерной графики можно отнести к 1950-м годам. Сам же термин «компьютерная графика» придумал в 1960 г. сотрудник компании Boeing У. Феттер.
Первое реальное применение компьютерной графики связывают с именем Дж. Уитни. Он занимался кинопроизводством в 50-60-х годах и впервые использовал компьютер для с оздания титров к кинофильму.
Следующим шагом в своем развитии компьютерная графика обязана Айвэну Сазерленду, который в 1961 г., еще будучи студентом, создал программу рисования, названную им Sketchpad (альбом для рисования). Программа использовала световое перо для рисования простейших фигур на экране. Полученные картинки можно было сохранять и восстанавливать. В этой программе был расширен круг основных графических примитивов, в частности, помимо линий и точек был введен прямоугольник, который задавался своими размерами и расположением.
Первоначально компьютерная графика была векторной, т.е. изображение формировалось из тонких линий. Эта особенность была связана с технической реализацией компьютерных дисплеев. В дальнейшем более широкое применение получила растровая графика, основанная на представлении изображения на экране в виде матрицы однородных элементов (пикселей).
В том же 1961 г. студент Стив Рассел создал первую компьютерную видеоигру Spacewar («Звездная война»), а научный сотрудник Bell Labs Эдвард Зэджек создал анимацию «Simulation of a two-giro gravity control system».
В связи с успехами в области компьютерной графики крупные корпорации начали проявлять к ней интерес, что в свою очередь стимулировало прогресс в области ее технической поддержки.
Университет штата Юта становится центром исследований в области компьютерной графики благодаря Д.Эвансу и А.Сазерленду, которые в это время были самыми заметными фигурами в этой области. Позднее их круг стал быстро расширяться. Учеником Сазерленда стал Э.Кэтмул, будущий создатель алгоритма удаления невидимых поверхностей с использованием Z-буфера (1978). Здесь же работали Дж.Варнок, автор алгоритма удаления невидимых граней на основе разбиения области (1969) и основатель Adobe System (1982), Дж.Кларк, будущий основатель компании Silicon Graphics (1982). Все эти исследователи очень сильно продвинули алгоритмическую сторону компьютерной графики.
В том же 1971 г. Гольдштейн и Нагель впервые реализовали метод трассировки лучей с использованием логических операций для формирования трехмерных изображений.
В 1970-е годы произошел резкий скачок в развитии вычислительной техники благодаря изобретению микропроцессора, в результате чего началась миниатюризация компьютеров и быстрый рост их производительности. И в это же время начинает интенсивно развиваться индустрия компьютерных игр. Одновременно компьютерная графика начинает широко использоваться на телевидении и в киноиндустрии. Дж.Лукас создает отделение компьютерной графики на Lucasfilm.
В 1977 г. появляется новый журнал «Computer Graphics World».
В середине 1970-х годов графика продолжает развиваться в сторону все большей реалистичности изображений. Э.Кэтмул в 1974 г. создает первые алгоритмы текстурирования криволинейных поверхностей. В 1975 г. появляется упомянутый ранее метод закрашивания Фонга. В 1977 г. Дж.Блин предлагает алгоритмы реалистического изображения шероховатых поверхностей (микрорельефов); Ф.Кроу разрабатывает методы устранения ступенчатого эффекта при изображении контуров (антиэлайзинг). Дж.Брезенхем создает эффективные алгоритмы построения растровых образов отрезков, окружностей и эллипсов. Уровень развития вычислительной техники к этому времени уже позволил использовать «жадные» алгоритмы, требующие больших объемов памяти, и в 1978 г. Кэтмул предлагает метод Z-буфера, в котором используется область памяти для хранения информации о «глубине» каждого пикселя экранного изображения. В этом же году Сайрус и Бэк развивают алгоритмы клиппирования (отсечения) линий. А в 1979 г. Кэй и Гринберг впервые реализуют изображение полупрозрачной поверхности.
В 1980 г. Т.Уиттед разрабатывает общие принципы трассировки лучей, включающие отражение, преломление, затенение и методы антиэлайзинга. В 1984 г. группой исследователей (Горэл, Торрэнс, Гринберг и др.) была предложена модель излучательности, одновременно развиваются методы прямоугольного клиппирования областей.
В 1980-е годы появляется целый ряд компаний, занимающихся прикладными разработками в области компьютерной графики. В 1982 г. Дж.Кларк создает Silicon Graphics, тогда же возникает Ray Tracing Corporation, Adobe System, в 1986 г. компания Pixar отпочковывается от Lucasfilm.
В эти годы компьютерная графика уже прочно внедряется в киноиндустрию, развиваются приложения к инженерным дисциплинам. В 1990-е годы в связи с возникновением сети Internet у компьютерной графики появляется еще одна сфера приложения.
Здесь перечислены далеко не все серьезные шаги на пути развития графики, но более подробное знакомство с ее историей требует достаточно хорошего представления о теории и алгоритмах этой дисциплины, поэтому мы ограничиваемся лишь кратким обзором. Нетрудно заметить, что приоритет в развитии данного направления в информационных технологиях достаточно прочно удерживают американские исследователи. Но и в отечественной науке тоже были свои разработки, среди которых можно назвать ряд технических реализаций дисплеев, выполненных в разные годы:
1968, ВЦ АН СССР, машина БЭСМ-6, вероятно, первый отечественный растровый дисплей с видеопамятью на магнитном барабане;
1972, Институт автоматики и электрометрии (ИАиЭ), векторный дисплей «Символ»;
1973, ИАиЭ, векторный дисплей «Дельта»;
1977, ИАиЭ, векторный дисплей ЭПГ-400;
1982, Киев, НИИ периферийного оборудования, векторный дисплей СМ-7316, 4096 символов, разрешение 2048?2048;
1979-1984, Институт прикладной физики, серия растровых цветных полутоновых дисплеев «Гамма». Последние дисплеи данной серии имели таблицу цветности, поддерживали окна, плавное масштабирование.
Таким образом, в процессе развития компьютерной графики можно выделить несколько этапов.
В 1960-1970-е годы она формировалась как научная дисциплина. В это время разрабатывались основные методы и алгоритмы: отсечение, растровая развертка графических примитивов, закраска узорами, реалистическое изображение пространственных сцен (удаление невидимых линий и граней, трассировка лучей, излучающие поверхности), моделирование освещенности.
В 1980-е графика развивается более как прикладная дисциплина. Разрабатываются методы ее применения в самых различных областях человеческой деятельности.
В 1990-е годы методы компьютерной графики становятся основным средством организации диалога «человек-компьютер» и остаются таковыми по настоящее время.