Vom Labor auf den Schreibtisch
In den 1970er Jahren geschah an der Universität Utah ein erstaunlich großer Teil der Gründungsarbeit des Gebiets. Ivan Sutherland war in das Programm geholt worden, das David Evans aufgebaut hatte. Die beiden gaben einen Kurs in fortgeschrittener Grafik. Studierende aus diesem Raum gründeten später Pixar, Silicon Graphics und Adobe. Die Gruppe von Tom Stockham für Bildverarbeitung arbeitete nebenan, am Grafiklabor. Die Trennung zwischen „einem Bild als Daten“ und „einem Bild als Szene“ war schon ein Flur, keine Kluft.
Eine Hand, ein Gesicht, eine Teekanne
Edwin Catmull kam von Boeing und arbeitete an einem Abschluss in Physik. Er war mit Disney aufgewachsen, liebte Animation und hatte gemerkt, dass er nicht gut genug zeichnen konnte, um sie von Hand zu machen. Den Computer behandelte er als den nächsten Schritt der Animation, nicht als ein eigenes Gewerbe. Die erste Computeranimation, die er sah, war seine eigene: eine Hand, die sich öffnet und schließt. 1974 ging er mit der Texturabbildung voran, dem Aufmalen eines Musters auf ein dreidimensionales Modell. Das ist heute eine der Grundtechniken. Sein erklärtes Ziel war ein Spielfilm aus Computergrafik. Er bekam ihn zwei Jahrzehnte später, nach einer Rolle bei der Gründung von Pixar.
Im selben Kurs animierte Fred Parke das Gesicht seiner Frau. Hand und Gesicht sind beide im Spielfilm Futureworld von 1976 zu sehen. Gemacht worden waren sie ursprünglich für einen experimentellen Kurzfilm von 1972, A Computer Animated Hand. Ein Filmpublikum begegnete den Bildern vier Jahre, nachdem ein Labor sie fertig hatte, und das war ungefähr die übliche Verzögerung.
Martin Newells Utah-Teekanne und die Standbilder, die von ihr gerechnet wurden, wurden in den 1970er Jahren zu einem Kürzel für CGI. Eine Teekanne ist ein guter Test. Sie hat Kurven, einen dünnen Henkel, eine Tülle und einen Körper, der glatt schattiert sein muss, sonst sieht er aus wie Geschirr aus einem schlechten Traum. Gerechnet wird sie noch immer, meist als Witz, der zugleich eine Messung ist.
John Warnock gehörte zu demselben Kreis. Er gründete später Adobe und veränderte mit PostScript das Publizieren: eine Seitenbeschreibung, die eine Maschine vom Bildschirm bis zur Presse tragen konnte, ohne dass der Umbruch auseinanderfiel. Adobe kam danach zu Photoshop, das zum Standardwerkzeug für die Bearbeitung von Fotografien wurde, und zu After Effects, weit benutzt für bewegte Arbeit im Film. James Clark war auch dort. Er gründete Silicon Graphics, dessen Maschinen das Rendern am oberen Ende bis in die frühen 1990er Jahre beherrschten.
Verdeckte Flächen, und Schattierung, die nicht flach ist
Ein großer praktischer Fortschritt in Utah war die Bestimmung verdeckter Flächen. Um einen 3D-Gegenstand auf einen Schirm zu zeichnen, muss der Computer entscheiden, welche Flächen vom Platz der Betrachtenden aus hinter dem Gegenstand liegen, und sie weglassen. Sonst scheint jede hintere Kante durch, und das Bild liest sich als Drahtmodell, auch wenn ein Körper gemeint war. Das 3D Core Graphics System, meist einfach Core genannt, war die erste grafische Norm in dieser Linie. Fünfundzwanzig Leute von der SIGGRAPH entwarfen es als konzeptionellen Rahmen. Die Spezifikation erschien 1977 und wurde zur Grundlage späterer Normen.
Die Schattierung kam im selben Jahrzehnt, und sie ist das, was den Bildern das Aussehen bemalter Polygone nahm. Henri Gouraud, Jim Blinn und Bui Tuong Phong bauten die Modelle, die ihre Namen tragen. Gouraud-Schattierung und Blinn-Phong-Schattierung lassen eine Fläche Tiefe andeuten statt einer flachen Füllung. 1978 führte Blinn das Bumpmapping ein, einen Weg, eine unebene Fläche vorzutäuschen, ohne Geometrie hinzuzufügen. Ein großer Teil des späteren Mappings stammt von diesem Schummel ab, und es ist ein nützlicher Schummel. Das Auge akzeptiert eine Normale, die wandert, auch wenn das Polygon darunter flach ist.
Gegen Ende des Jahrzehnts fingen Heimrechner an, zu eigenen Bildern zu kommen. Das früheste bekannte 3D-Grafikprogramm für einen Heimrechner ist 3D Art Graphics, ein Satz von Effekten, geschrieben von Kazumasa Mitazawa und im Juni 1978 für den Apple II herausgebracht. Ein Modellierpaket im späteren Sinn war es nicht. Es war der Beweis, dass das Thema das Labor verlassen hatte, wenigstens als Demo, die man kaufen konnte.
Die Spielhalle, dann der Chip
Die moderne Spielhalle entstand in den 1970er Jahren auf zweidimensionalen Sprites in Echtzeit. Pong, 1972, war eines der ersten Spiele im Gehäuse, das zum Hit wurde. Speed Race bewegte 1974 Sprites eine Straße entlang, die senkrecht scrollte. Gun Fight hatte 1975 animierte Figuren, die menschlich aussahen. Space Invaders setzte 1978 eine große Zahl animierter Figuren auf einen Schirm. Die beiden letzten benutzten einen Barrel-Shifter aus diskreten Chips, damit ein Intel 8080 Framebuffer-Grafik in spielbarer Geschwindigkeit bewegen konnte. Das Bild war für den Prozessor allein schon zu schwer. Diese Tatsache ist das ganze nächste Jahrzehnt, im Kleinen.
Die 1980er Jahre sind die Zeit, in der das Gebiet aufhörte, ein akademisches Fach zu sein, das zufällig ein paar Produkte hatte, und ein Geschäft mit einer großen Zahl von Entwicklerinnen wurde. Heimrechner verbreiteten sich. Leute, die einen TX-2 nie gesehen hätten, schrieben Bilder.
Die Höchstintegration von Metall-Oxid-Halbleitern machte 16-Bit-Prozessoren verfügbar, und sie machte die ersten Grafikprozessor-Chips. Der μPD7220 von NEC war der erste dieser Chips, ein vollständig integriertes NMOS-Bauteil. Er unterstützte Auflösungen bis 1024 mal 1024 und wurde auf einer Reihe von Karten eingesetzt. Der 82720 von Intel war ein lizenzierter Nachbau und Intels erster Grafikprozessor. Speicher wurde zur selben Zeit billiger. Texas Instruments führte in der Mitte des Jahrzehnts Video-RAM ein, Framebuffer-Speicher, den eine Anzeige lesen konnte, ohne mit dem Prozessor um jedes Byte zu kämpfen. 1984 brachte Hitachi den HD63484 heraus, den ersten CMOS-Grafikprozessor, fähig zu Farbe in hoher Auflösung und, monochrom, zu dem, was später 4K heißen sollte. 1986 stellte Texas Instruments den TMS34010 vor, den ersten vollständig programmierbaren MOS-Grafikprozessor. Ein Display-Controller, der ein Programm ausführen kann, ist ein anderer Gegenstand als ein Display-Controller, der nur ein Rechteck füllt, das man ihm von außen beschreibt.
Über das Wort GPU gibt es eine spätere Auseinandersetzung. NVIDIA benutzte es 1999 für einen Chip, der Transformation, Beleuchtung und Rendern zusammen erledigte, und nannte die GeForce 256 den ersten. Der μPD7220 ist früher, und er ist ein Grafikprozessor im schlichten Sinn. Die beiden „Ersten“ betreffen verschiedene Aufgaben. Der Anspruch von NVIDIA gehört zur 3D-Karte für den Haushalt.
Workstations, ein japanischer Raytracer, ein Ritter aus Bleiglas
Die Terminals wurden in diesem Jahrzehnt intelligent. Ein größerer Teil der Grafikarbeit wanderte auf die Workstation und vom Großrechner herunter. Ein klares Beispiel sind Orca 1000, 2000 und 3000, gebaut von Orcatech in Ottawa, einer Ausgründung von Bell-Northern Research unter David Pearson. Der Orca 3000 benutzte einen Motorola 68000 und Bit-Slice-Prozessoren von AMD, lief unter Unix und zielte auf das teure Ende des computergestützten Ingenieurwesens. Künstlerinnen kamen unterdessen zu dem Schluss, dass ein Personal Computer ein Werkzeug für den Entwurf sein konnte, vor allem der Amiga und der Macintosh. Der Macintosh blieb in den Studios für Grafikdesign, lange nachdem der Reiz des Neuen vergangen war. Er war genau, und er war schneller als die früheren Verfahren, und das ist die einzige Probe, auf die es in einem Studio mit Abgabetermin ankommt.
Maschinen von den 1980er Jahren an benutzten gewöhnlich eine grafische Benutzeroberfläche: Symbole und Bilder statt einer Befehlszeile als Weg, Daten zu zeigen. Grafik war eines der fünf Grundelemente von Multimedia geworden, kein Spezialeffekt, seitlich angeschraubt.
Für realistisches Rendern baute die Universität Osaka 1982 den LINKS-1, eine Maschine mit bis zu 257 Prozessoren vom Typ Zilog Z8001. Der Kern beim Zeichnen eines 3D-Bildes ist, die Helligkeit jedes Pixels aus Blickpunkt, Lichtern und Gegenständen zu ermitteln. Der LINKS-1 tat das, indem jedes Pixel unabhängig und parallel per Raytracing bestimmt wurde. Mit Software, die für diese Anordnung geschrieben war, konnte er hochrealistische Bilder schnell rechnen. Stand 1984 war er der leistungsfähigste Computer der Welt, eine nützliche Erinnerung daran, wie teuer ein überzeugendes Bild war. 1986 stellten David Immel und James Kajiya die Rendergleichung auf, einen Schritt zur globalen Beleuchtung, und die braucht man, wenn das Ziel ein Bild ist, das sich wie Licht verhält und nicht wie ein Gemälde von Licht.
Die Filmarbeit derselben Jahre wurde von Star Wars und von anderen Produktionen der Science-Fiction mitgezogen. Lucasfilm und Industrial Light & Magic wurden das Haus, das andere Studios anriefen. Chromakey, die verschiedenen Formen des „Bluescreen“, entwickelte sich über die späteren Filme der ersten Trilogie weiter. Zwei Arbeiten aus dem Jahr 1985 überdauerten das Jahrzehnt als Merkzeichen. Das Video der Dire Straits zu „Money for Nothing“ war einem vollständig computergenerierten Film nah genug, um CGI einem Musikpublikum vertraut zu machen. Eine Szene in Young Sherlock Holmes brachte einen Ritter aus Bleiglas auf die Leinwand, die erste vollständig in CGI ausgeführte Figur in einem Spielfilm. 1988 wurden die ersten Shader, kleine Programme, deren Aufgabe die Schattierung ist und sonst nichts, bei Pixar geschrieben, das zu dieser Zeit eine von ILM getrennte Firma war. Was diese Programme konnten, sah das Publikum erst im nächsten Jahrzehnt. Spät in den 1980er Jahren wurden bei Pixar Maschinen von Silicon Graphics für einige der ersten vollständig computergenerierten Kurzfilme benutzt. In diesem Jahrzehnt war eine Workstation von SGI das, wonach „ernsthafte Grafik“ in einem Raum aussah.
Dieselben Jahre heißen das goldene Zeitalter der Videospiele, aus einem Grund, der mit Forschungsaufsätzen wenig zu tun hat. Atari, Nintendo, Sega und die Heimrechner, der MS-DOS-PC, der Apple II, der Mac, der Amiga, zeigten Computerbilder einem jungen Publikum, das nicht darum gebeten hatte und sie danach nicht wieder hergeben wollte. Wer programmieren konnte, dem ließen mehrere dieser Maschinen ein eigenes Spiel zu. In den Spielhallen kam 1988 Hardware für 3D in Echtzeit, mit dem Namco System 21 und dem Taito Air System, den ersten Platinen, die eigens für diese Aufgabe gebaut waren. Auf der professionellen Seite bauten Evans und Sutherland und Silicon Graphics 3D-Rasterhardware, die in ziemlich gerader Linie zur späteren GPU auf einem Chip führt: ein leistungsfähiger Chip neben der CPU, der die Grafikarbeit parallel erledigt.
Das Jahrzehnt schob die Grafik auch in Märkte, die leicht zu vergessen sind, wenn man nur Filme sieht. Der Digistar von Evans und Sutherland projizierte Sterne für Planetarien. Fahrzeugentwurf, Fahrzeugsimulation und Chemie nahmen dieselben Verfahren und richteten sie auf eine Entscheidung, nicht auf ein Publikum. Donald Greenberg verbrachte an der Cornell diese Jahre mit Lehren und Schreiben. Er gründete das NSF Center for Computer Graphics and Scientific Visualization, und eine bemerkenswerte Zahl seiner Studierenden, darunter Robert L. Cook und Marc Levoy, ging weiter zu der Arbeit, die danach kam. Ein Gebiet, das seine Lehrer so klar benennen kann, ist noch jung.