Из лаборатории на рабочий стол
Все 1970-е годы удивительно многое из того, на чём стоит эта область, делалось в Университете Юты. Айвен Сазерленд пришёл туда работать в программе, которую создал Дэвид Эванс. Вместе они вели курс углублённой компьютерной графики. Студенты из этой аудитории потом основали Pixar, Silicon Graphics и Adobe. Группа Тома Стокхэма, занимавшаяся обработкой изображений, работала по соседству с графической лабораторией. Между «изображением как данными» и «изображением как сценой» был уже не обрыв, а всего лишь коридор.
Рука, лицо, чайник
Эдвин Кэтмелл пришёл из Boeing и учился на физика. Он вырос на мультфильмах Disney, любил анимацию и понял, что рисует недостаточно хорошо, чтобы заниматься ею вручную. Компьютер он воспринимал как следующую ступень анимации, а не как отдельное ремесло. Первой компьютерной анимацией, которую он увидел, была его собственная: рука, которая сжимается и разжимается. В 1974 году он первым применил наложение текстур, то есть нанесение узора на трёхмерную модель. Сейчас это один из базовых приёмов. Своей целью он называл полнометражный фильм, целиком сделанный на компьютере. Он добился её два десятилетия спустя, уже будучи одним из основателей Pixar.
На том же курсе Фред Парк анимировал лицо своей жены. И рука, и лицо появляются в полнометражном фильме 1976 года Мир будущего. Изначально их сделали для экспериментальной короткометражки 1972 года A Computer Animated Hand. Кинозрители увидели эти изображения через четыре года после того, как лаборатория их закончила, и для того времени это была обычная задержка.
Чайник Мартина Ньюэлла, известный как чайник из Юты, и его статичные рендеры стали в 1970-е годы символом компьютерной графики. Чайник хорошо подходит для проверки. У него изогнутые поверхности, тонкая ручка, носик и корпус, который должен плавно затеняться, иначе он похож на посуду из кошмарного сна. Его рендерят до сих пор, чаще всего в шутку, которая одновременно служит и измерением.
В том же кругу был Джон Уорнок. Позже он основал Adobe и с помощью PostScript изменил издательское дело: это было описание страницы, которое машина могла передать с экрана на печатный станок, не нарушив вёрстку. Потом Adobe выпустила Photoshop, который стал стандартным инструментом для обработки фотографий, и After Effects, которым широко пользуются в кино для анимации и эффектов. Там же был Джеймс Кларк. Он основал Silicon Graphics, чьи машины вплоть до начала 1990-х годов господствовали в профессиональном рендеринге.
Скрытые поверхности и неплоское затенение
Крупным практическим достижением в Юте стало удаление скрытых поверхностей. Чтобы нарисовать трёхмерный объект на экране, компьютер должен определить, какие поверхности с точки зрения зрителя находятся позади объекта, и не выводить их. Иначе все задние рёбра просвечивают, и изображение выглядит как проволочная модель, даже если задумано сплошное тело. Первым графическим стандартом в этом ряду стала система 3D Core Graphics System, которую обычно называли просто Core. Двадцать пять специалистов из SIGGRAPH разработали её как концептуальную основу. Спецификацию опубликовали в 1977 году, и она легла в основу более поздних стандартов.
В том же десятилетии появилось затенение, и именно благодаря ему изображения перестали выглядеть как закрашенные многоугольники. Анри Гуро, Джим Блинн и Буй Тыонг Фонг создали модели, которые носят их имена. Затенение по Гуро и затенение по Блинну и Фонгу позволяют передать глубину поверхности вместо плоской заливки. В 1978 году Блинн предложил рельефное текстурирование (bump mapping), способ изобразить неровную поверхность, не добавляя геометрии. От этой уловки происходят многие более поздние виды текстурирования, и уловка эта полезная: глаз принимает изменчивую нормаль, даже если многоугольник под ней плоский.
К концу десятилетия свои изображения начали появляться и на домашних компьютерах. Самая ранняя известная программа трёхмерной графики для домашнего компьютера это 3D Art Graphics, набор эффектов, который написал Кадзумаса Митадзава. Программа вышла в июне 1978 года для Apple II. Это ещё не был пакет для моделирования в более позднем смысле. Но она доказала, что тема вышла за пределы лаборатории, хотя бы в виде демонстрации, которую можно купить.
Игровые автоматы, а затем микросхема
Современные игровые автоматы появились в 1970-е годы и были построены на двумерных спрайтах, которые двигались в реальном времени. Pong в 1972 году стал одним из первых игровых автоматов, получивших большую популярность. В Speed Race 1974 года спрайты двигались вдоль дороги с вертикальной прокруткой. В Gun Fight 1975 года были анимированные персонажи, похожие на людей. Space Invaders 1978 года показывал на одном экране множество анимированных фигур. В двух последних играх использовался циклический сдвигатель (barrel shifter) из отдельных микросхем, чтобы процессор Intel 8080 успевал перемещать графику в кадровом буфере достаточно быстро для игры. Изображение уже было слишком тяжёлым для одного процессора. В этом факте в миниатюре заключено всё следующее десятилетие.
В 1980-е годы компьютерная графика перестала быть академической дисциплиной, у которой случайно появилось несколько продуктов, и превратилась в бизнес с множеством разработчиков. Домашние компьютеры получили широкое распространение. Изображения стали программировать люди, которые никогда в жизни не увидели бы TX-2.
Сверхбольшие интегральные схемы на основе МОП-технологии сделали доступными 16-разрядные процессоры и первые микросхемы графических процессоров. Первой из них стала μPD7220 компании NEC, полностью интегрированная микросхема на n-МОП. Она поддерживала разрешение до 1024 на 1024 и устанавливалась на целый ряд видеоплат. Intel 82720 был её лицензионной копией и первым графическим процессором Intel. В то же время подешевела память. В середине десятилетия Texas Instruments представила видеопамять (VRAM), то есть память кадрового буфера, которую дисплей мог читать, не борясь с процессором за каждый байт. В 1984 году Hitachi выпустила HD63484, первый графический процессор на КМОП, который поддерживал цвет в высоком разрешении, а в монохромном режиме и то, что позже назовут 4K. В 1986 году Texas Instruments представила TMS34010, первый полностью программируемый графический процессор на МОП. Контроллер дисплея, который сам выполняет программу, это совсем не то же самое, что контроллер, способный лишь залить прямоугольник, заданный извне.
Позже возник спор о термине GPU. В 1999 году NVIDIA применила его к микросхеме, которая сама выполняла преобразование, освещение и рендеринг, и назвала первым таким процессором GeForce 256. Но μPD7220 появилась раньше, и в простом смысле это тоже графический процессор. Эти два «первых» относятся к разным задачам. Заявление NVIDIA касается потребительских видеокарт для трёхмерной графики.
Рабочие станции, японский трассировщик лучей и рыцарь из витража
В этом десятилетии терминалы стали интеллектуальными. Всё больше графической работы переходило с мейнфреймов на рабочие станции. Хороший пример это машины Orca 1000, 2000 и 3000 компании Orcatech из Оттавы, которая выделилась из Bell-Northern Research под руководством Дэвида Пирсона. Orca 3000 работала на процессоре Motorola 68000 и секционных процессорах AMD под управлением Unix и предназначалась для дорогого сегмента автоматизированного инженерного проектирования. А художники тем временем решили, что персональный компьютер может быть инструментом дизайна, особенно Amiga и Macintosh. Macintosh остался в студиях графического дизайна надолго, даже когда перестал быть новинкой. Он был точным и работал быстрее прежних методов, а в студии, где горят сроки, важно только это.
Начиная с 1980-х годов компьютеры обычно использовали графический интерфейс пользователя, где данные показывают с помощью символов и изображений, а не командной строки. Графика стала одним из пяти основных элементов мультимедиа, а не спецэффектом, прикрученным сбоку.
Для реалистичного рендеринга Университет Осаки в 1982 году построил LINKS-1, машину, в которой могло быть до 257 процессоров Zilog Z8001. Суть построения трёхмерного изображения в том, чтобы рассчитать яркость каждого пикселя исходя из точки наблюдения, источников света и объектов. LINKS-1 делала это, трассируя лучи для каждого пикселя независимо и параллельно. С программами, написанными для такой схемы, она могла быстро строить очень реалистичные изображения. В 1984 году это был самый мощный компьютер в мире, и это хорошо показывает, как дорого тогда стоила убедительная картинка. В 1986 году Дэвид Иммел и Джеймс Каджия сформулировали уравнение рендеринга, шаг к глобальному освещению. Оно необходимо, если нужно изображение, которое ведёт себя как настоящий свет, а не как картина, на которой нарисован свет.
Кинематограф тех лет развивался вслед за Звёздными войнами и другими научно-фантастическими фильмами. Lucasfilm и Industrial Light & Magic стали студией, к которой обращались все остальные. Хромакей, разные варианты «синего экрана», совершенствовался в поздних фильмах первой трилогии. Две работы 1985 года остались вехами и после того десятилетия. Клип Dire Straits на песню «Money for Nothing» был почти полностью компьютерным, и благодаря ему компьютерная графика стала привычной для любителей музыки. В одной из сцен фильма Молодой Шерлок Холмс на экране появился рыцарь из витража, первый полностью компьютерный персонаж в полнометражном фильме. В 1988 году в Pixar, к тому времени уже отдельной от ILM компании, написали первые шейдеры, небольшие программы, которые занимаются только затенением. Что они умеют, зрители увидели лишь в следующем десятилетии. В конце 1980-х годов в Pixar на машинах Silicon Graphics сделали несколько первых полностью компьютерных короткометражных фильмов. В то десятилетие «серьёзная графика» выглядела как рабочая станция SGI в углу комнаты.
Эти же годы называют золотым веком видеоигр, и причина мало связана с научными статьями. Atari, Nintendo, Sega и домашние компьютеры, такие как PC под MS-DOS, Apple II, Mac и Amiga, показали компьютерную графику молодой аудитории, которая её не просила, а потом уже не захотела от неё отказываться. Тот, кто умел программировать, мог на некоторых из этих машин написать собственную игру. В игровые залы трёхмерная графика реального времени пришла в 1988 году вместе с Namco System 21 и Taito Air System, первыми платами, созданными специально для этого. В профессиональной сфере Evans and Sutherland и Silicon Graphics строили оборудование для трёхмерной растровой графики, от которого довольно прямой путь ведёт к более позднему однокристальному GPU: мощной микросхеме рядом с центральным процессором, которая параллельно выполняет графическую работу.
Кроме того, в это десятилетие графика проникла на рынки, о которых легко забыть, если смотреть только кино. Digistar компании Evans and Sutherland проецировал звёзды в планетариях. Проектирование и моделирование транспортных средств, а также химия использовали те же методы, но ради принятия решений, а не ради зрителей. Дональд Гринберг в Корнеллском университете все эти годы преподавал и писал. Он основал Центр компьютерной графики и научной визуализации NSF, и на удивление многие его студенты, в том числе Роберт Л. Кук и Марк Левой, потом сделали важные работы следующих лет. Область, которая может так чётко назвать своих учителей, ещё молода.