Интересные выставки

блог о выставках:)

  • Switch to Blue
  • Switch to Orange

Эволюция пикселя: малоизвестные факты об истории компьютерной графики

Автор: admin Дата: Авг-14-2015

5 Откуда в программе 3ds max взялся чайник? Почему обезьянку в бесплатном 3D-редакторе Blender зовут Сьюзан? Как выглядели первые компьютерные анимации? Обо всем этом, а также о том, как зарождалась компьютерная графика, читайте в этой статье

Те, кто занимается разработкой трехмерной графики, очень хорошо знают, что успех в освоении этой области зависит исключительно от терпения. «Наскоком» этой наукой овладеть невозможно, для этого нужна длительная подготовка. Используя метод проб и ошибок, прочитав массу учебной литературы, после многократного утомительного ожидания рендеринга финальной сцены наконец-то приходит озарение: «Так вот как оно, оказывается, нужно было делать!».

Словно спортсмен, оттачивающий свое мастерство на спортивном инвентаре, дизайнер компьютерной графики раз за разом применяет одни и те же шаблонные конструкции, которые помогают ему разобраться в тонкостях работы с программой. Привычные для него картинки и модели настолько давно используются для тестирования различных функций 3D-редактора, что кажутся вполне обычными инструментами. А между тем многие из них совсем не похожи на «стандартные» средства. Модель чайника, трехмерная голова обезьяны и прочие странные вещи — откуда они взялись?

Многие полагают, что присутствие в программах для разработки трехмерной графики таких необычных моделей как Suzanne или Teapot — это блестящая находка разработчиков. Действительно, в отличие от правильных простых объектов типа сферы, цилиндра, куба или конуса, модели с необычной геометрией смотрятся более естественно. Их более сложная форма позволяет быстро обнаружить недостатки освещения и материалов. С этими объектами очень удобно экспериментировать и упражняться в моделировании.

Судьбы некоторых вещей складываются порой очень необычно. Когда Мартин Ньювелл (Martin Newell) и его жена Сандра в 1974 году приобрели в одном из универмагов Солт-Лейк-Сити заварочный чайник, они и представить себе не могли, что в будущем об этой вещи в буквальном смысле узнает весь мир.

Мартин Ньювелл — создатель самого популярного чайника в трёхмерной графике

Это был самый обычный керамический чайник, произведенный немецкой компанией Melitta. Очень простой формы — слегка округлый, с крышкой. На нем даже не было никакого рисунка или узора — просто гладкий белый чайник.

Ньювелл занимался разработкой алгоритмов рендеринга для графического редактора в университете Юты (University of Utah). Отсюда пошло и название чайника, его стали называть «чайник Юта». Интересно, что изначально модель чайника сопровождалась еще набором чашек и чайных ложечек. Выглядело это так.

Потом модели чайного сервиза растерялись, и остался один чайник. Самые внимательные пользователи наверняка обратили внимание на то, что в сравнении с чайником из программы 3ds max, пропорции оригинального чайника Юта несколько иные.

Прототип самого известного чайника в трехмерной графике

Все верно — исходный объект несколько выше компьютерной модели. Почему так? Сами «родители» первой компьютерной модели путаются в объяснениях. Скорее всего, причина в том, что буфер кадра на компьютере с которым работал Ньювелл, имел неквадратные пиксели. Вместо того, чтобы искажать изображение, Мартин попросил своего коллегу Джима Блинна скорректировать масштаб модели для исключения растянутых деформаций. Сам же Джим утверждает, что им просто понравилась отмасштабированная по вертикали форма чайника, которую они использовали на демонстрации в своей лаборатории.

На этом изображении — уникальный скан наброска, который сделал Мартин Ньювелл. Как видите, корпус чайника на этом листике имеет соотношение сторон основы 4х3.

Чайник стал любимым объектом разработчиков трёхмерной графики. Как-то незаметно его стали использовать везде, где только можно. Например, на компьютерах Commodore CBM, которые продавались в начале восьмидесятых годов прошлого века, была установлена демонстрационная программа Grafikdemo. Запустив ее, пользователь мог видеть на экране каркас чайника. Эту основу можно было вращать с помощью клавиатуры, рассматривая со всех сторон. Подобные нехитрые манипуляции должны были производить на пользователей сильное впечатление и склонять потенциального покупателя к дорогой покупке.

Чайник также можно было увидеть в популярном скринсейвере 3Dpipes (”Трубопровод”) из Windows.

А еще он то и дело появлялся в различных трехмерных анимациях — например, в знаменитой ленте студии Pixar «История игрушек» (Toy Story), где главный герой пьёт чай как раз из чайника Ньювелла.

Даже мультяшный Гомер Симпсон в одной из серий сериала The Simpsons вдруг обрел третье измерение, и тут же в кадр попал чайник Юта (для фанатов — шестая серия седьмого сезона Treehouse of Horror VI).

А еще чайник Юта (после небольшого редактирования он изменил форму) попал в кадр при просмотре другой картины студии Pixar — «Корпорация монстров» (Monsters Inc.).

Кстати, у студии Pixar есть еще и забавная традиция. Каждый год на очередной выставке Siggraph они раздают сувенирные чайники Юта — шагающие игрушки, рекламирующие движок визуализации RenderMan. Обычно эти чайники упаковываются в коробку из-под чая. Прекрасный памятный подарок о выставке для любителя 3D.

Трехмерная модель чайника стала визитной карточкой одного из самых популярных 3D-редакторов — Autodesk 3ds max. В этой программе чайник запросто может создать любой пользователь, даже тот, кто никогда не занимался трехмерным моделированием.

Обычно керамическая посуда долго не живет. Но это правило не работает в случае с чайником Ньювелла. Он не только до сих пор находится в прекрасной кондиции, но и перешел, так сказать, в общественное достояние. Владелец передал его Бостонскому музею компьютеров, где он находился до 1990 года. В настоящее время этот экспонат можно найти в Музее компьютерной истории в Маунтин-Вью, штат Калифорния.

Время от времени знаменитый чайник путешествует по разным мероприятиям — наподобие выставки Siggraph. Несмотря на немолодые годы, он выглядит чистым, блестящим и подозрительно новеньким. И хотя владельцы раритета убеждают, что это именно тот самый чайник, с которого началась история трехмерной анимации, если учесть расстояния, на которые ему пришлось перемещаться, не исключено, что он мог быть втайне заменен другим экземпляром, ведь аналогичные модели до сих пор продаются в большом количестве.

После появления чайника Юты долгое время у разработчиков трёхмерной графики не было альтернативы. Нужно протестировать рендеринг? Конечно, используется чайник Ньювелла. Но в девяностых годах ситуация слегка изменилась. Появились новые инструменты для трехмерного моделирования и новые модели для тестирования. В дело включились научные сотрудники Стенфордского университета — Грег Тёрк (Greg Turk) и Марк Левой (Marc Levoy).

В 1994 году, на Пасху, Грег прошелся по Юниверсити-авеню и заглянул в магазин, где продавались декоративные товары для дома и сада. Там он увидел коллекцию глиняных кроликов. Ему очень понравился терракотовый цвет красной глины, и в голову Тёрка пришла мысль, что эта фигурка идеально подходит для трёхмерного сканирования и использования в экспериментах по 3D.

«Если б я знал, что этот кролик таким популярным, да я бы их всех купил!» — рассказывал Грег уже спустя несколько лет. Он приобрёл этого кролика и принес в лабораторию, где вместе с Марком они оцифровали его форму. Кролик имел только один недостаток — в его геометрии были отверстия. Чтобы упростить полигональную сетку, Грег просто заделал их вручную. Модель стенфордского кролика, которую получили после оцифровки статуэтки, содержала 69451 треугольную поверхность, сама же оригинальная фигурка была 19 сантиметров в высоту.

С тех пор эту модель может скачать любой желающий прямо с сайта Стенфордского университета .

Помимо кролика, в стенфордском репозитории выложено еще множество моделей, многие из которых также стали очень популярными в сообществах разработчиков трехмерной графики. Среди бесплатных 3D-моделей, доступных для загрузки , есть, например, фигурка счастливого Будды, популярный китайский дракон, красивая тайская статуя и так далее.

Трехмерный редактор Blender не имеет аналогов. Это единственный бесплатный профессиональный пакет для создания трехмерной графики, способный более или менее на равных конкурировать с такими «китами», как Maya или Lightwave.

Открытый код, кроссплатформенность и огромные возможности моделирования — о достоинствах этой программы можно говорить очень долго. Разработчики сделали все возможное, чтобы эта программа ни в чем не уступала коммерческим аналогам. И словно в ответ на чайник Юта, в Blender был интегрирован свой собственный «нестандартный» объект — обезьянка по имени Сюзанна.

Модель этой обезьянки имеет не очень сложную, но нетривиальную геометрию, что идеально подходит для тестовых сцен и изучения настроек рендеринга. Это низкополигональная модель, состоящая из 500 поверхностей.

Впервые голова шимпанзе появилась в Blender 2.25. Именно тогда, в январе-феврале 2002 года, стало понятно, что компания NaN, которая занималась продвижением тогда еще платного 3D-редактора Blender — банкрот, а потому не сможет вести дальнейшую разработку этого проекта. Её программисты добавили обезьянку в качестве своеобразного пасхального яйца в последний релиз программы, созданный компанией NaN. После этого лицензия Blender была изменена на GNU GPL, на откуп от кредиторов собрали деньги, и 3D-редактор стал бесплатным.

Смоделировал знаменитую объезьянку Вильем-Пол ван Овербрюгген (Willem-Paul van Overbruggen), известный также под ником SLiD3. Он же и дал имя, взяв его из весьма специфической комедии Кевина Смита (Kevin Smith) «Джей и молчаливый Боб наносят ответный удар» (Jay and The Silent Bob Strike Back). В этом фильме присутствовал орангутанг по имени Сюзанна.

Сюзанна стала настоящим символом бесплатного 3D-редактора. В 2003 году был даже учреждён специальный конкурс для художников, работающих в Blender. Ежегодный конкурс получил название Suzanne Awards , а в качестве приза победителям вручается статуэтка обезьянки Сюзанны.

Один из наиболее важных этапов работы над трехмерной сценой — визуализация. И тут, нужно сказать, далеко не все зависит от пользователя. В некоторых случаях даже доскональное знание параметров рендеринга не является гарантией высокой реалистичности изображения. Качество финальной картинки определяется условиями визуализации и, самое главное, алгоритмом просчета освещенности.

В реальном мире всем управляют физические процессы. Законы оптики, а также свойства материалов определяют картину окружающего нас мира. Стеклянные предметы воспринимается нашими глазами как прозрачные, лимонная кожура кажется рельефной, а ледяная изморозь — матовой. Алгоритм трехмерной визуализации, используемый для рендеринга, старается повторить все эти явления и свойства материалов, смоделировав физические процессы. Однако проблема заключается в том, что этот алгоритм несовершенен и, как в любой школьной задачке по физике, использует множество допущений и условностей.

Например, простейший принцип вычисления теней — трассировка. Он дает представление лишь о том, где будет проходить контур отбрасываемой тени. Однако в реальной жизни тени не всегда бывают резкими — чаще всего имеет место многократное переотражение света, когда луч несколько раз отражается от объектов, перенося на другие участки цвет соседних объектов и делая тени «мягкими». В трехмерной графике это свойство описывается алгоритмами глобальной освещенности.

В 1984 году команда ученых в отделе графики Корнельского университета занималась разработкой новых алгоритмов трассировки света. Их работа называлась «Моделирование взаимодействия света с диффузными поверхностями». Для обывателя это название ничего не скажет, зато специалист по трехмерной графики безошибочно угадает в этой фразе один из принципов просчета света в трехмерной сцене — «глобальная освещенность». В том же году на популярной выставке Siggraph специалисты Корнельского университета продемонстрировали преимущество своей системы на примере простенькой трехмерной сцены — полого кубика, внутри которого располагались простейшие примитивы.

Этот кубик играл роль комнаты, замкнутого помещения, служил упрощенной моделью для симуляции реалистичного распространения света. Модель с коробкой, получившая название Cornell box, исключительно проста, свет в ней совершает предсказуемые отражения, и поэтому нехитрая конструкция оказалась очень практичной и удобной. Настолько удобной, что ее и по сей день используют специалисты по трехмерной графике, настраивая алгоритмы визуализации и тестируя новые методы вычислений освещенности.

Стенки внутренней части корнельской коробки окрашены в разные цвета. Так, левая сторона имеет красный цвет, правая — зеленый, задняя стенка, а также «потолок» и «пол» — белые. Это необходимо для того, чтобы исследователь, проводящий опыты на данной модели, смог увидеть перенос цвета на соседние поверхности. Простейший пример такого эффекта вы можете наблюдать сами — поставьте на чистый белый лист бумаги что-то очень ярко-жёлтое, и вы увидите, как по периметру этого предмета лист приобретет желтоватый оттенок. Если проводить визуализацию по алгоритмам глобальной освещенности, в корнельской коробке произойдет аналогичный эффект.

Исследовательская лаборатория Белла (Bell Laboratories) всегда была одной из самых крупных и перспективных команд ученых. Они занимались самыми насущными проблемами в различных областях науки. За годы своего существования ученые Bell Laboratories семь раз удостаивались Нобелевской премии.

И вполне закономерно, что первая трехмерная симуляция была выполнена именно специалистами этого центра. В 1963 году один из сотрудников Bell Laboratories по имени Эдвард Заяц (Edward E. Zajac) продемонстрировал написанную на «Фортране» программу симуляции движения спутника.

Он не ставил перед собой цель создать первую трехмерную анимацию, но получилось именно так.

В то время он работал в отделе математических исследований и занимался математическим моделированием для создания механизмов с двухгироскопической системой стабилизации, которая могла применяться в первых коммуникационных спутниках. Используя программу ORBIT (написанную другим сотрудником Bell Laboratories), ученый обработал свои выкладки, получив набор перфокарт с результатами. С помощью компьютерного записывающего устройства General Dynamics Electronics Stromberg-Carlson 4020 он распечатал микрофильм с анимацией.

Сюжет ее прост — два объекта связаны друг с другом силой гравит…

Источник: http://www.3dnews.ru