Из лаборатории на стол
Все 1970-е Университет Юты был местом, где сделали удивительную долю работы, которой эта область обязана основанием. Айвена Сазерленда взяли в программу, которую выстроил Дэвид Эванс. Вдвоём они вели продвинутый курс графики. Студенты из той комнаты позже основали Pixar, Silicon Graphics и Adobe. Группа Тома Стокхэма по обработке изображений работала по соседству с графической лабораторией. Промежуток между «картинкой как данными» и «картинкой как сценой» уже был коридором, а не пропастью.
Рука, лицо, чайник
Эдвин Кэтмалл пришёл из Boeing и получал степень по физике. Он вырос на Disney, любил анимацию и уже выяснил, что рисует недостаточно хорошо, чтобы делать её руками. Компьютер он принял как следующий шаг анимации, а не как отдельное ремесло. Первая компьютерная анимация, которую он увидел, была его собственной: рука открывается и закрывается. В 1974 году он первым ввёл наложение текстур, нанося узор на трёхмерную модель. Сейчас это один из базовых приёмов. Заявленной целью был полнометражный фильм из компьютерной графики. Он получил его два десятилетия спустя, уже побывав среди основателей Pixar.
В том же курсе Фред Парк анимировал лицо жены. И рука, и лицо появляются в полнометражном фильме 1976 года Futureworld. Сначала их сделали для экспериментальной короткометражки 1972 года A Computer Animated Hand. Кинозритель встретил эти картинки через четыре года после того, как лаборатория их закончила. Задержка была примерно обычной.
Чайник Мартина Ньюэлла из Юты и неподвижные рендеры этого чайника стали в 1970-е кратким обозначением компьютерной графики. Чайник хорош для проверки. У него кривые, тонкая ручка, носик и корпус, который должен затеняться плавно, иначе выглядит как посуда из дурного сна. Его до сих пор рендерят, чаще всего как шутку, которая заодно служит измерением.
В том же кругу был Джон Уорнок. Позже он основал Adobe и вместе с PostScript изменил издательское дело: описание страницы, которое машина могла донести от экрана до печатного станка, не развалив вёрстку. Дальше Adobe пришла к Photoshop, ставшему основным инструментом правки фотографий, и к After Effects, широко применяемому для движения в кино. Там же был Джеймс Кларк. Он основал Silicon Graphics, чьи машины господствовали в дорогом рендеринге вплоть до начала 1990-х.
Скрытые поверхности и затенение, которое не плоско
Крупным практическим шагом в Юте стало определение скрытых поверхностей. Чтобы нарисовать трёхмерный объект на экране, компьютеру приходится решать, какие поверхности с места зрителя оказываются позади объекта, и не выводить их. Иначе каждый задний край просвечивает, и картинка читается как проволочная модель, даже если задумано сплошное тело. 3D Core Graphics System, обычно его звали просто Core, стал первым графическим стандартом в этом ряду. Двадцать пять человек из SIGGRAPH набросали его как концептуальную рамку. Спецификацию опубликовали в 1977 году, и она стала основанием для позднейших стандартов.
Затенение пришло в том же десятилетии, и именно благодаря ему картинки перестали выглядеть закрашенными полигонами. Анри Гуро, Джим Блинн и Буй Тыонг Фонг построили модели, которые носят их имена. Затенение по Гуро и затенение по Блинну-Фонгу позволяют поверхности намекнуть на глубину вместо плоской заливки. В 1978 году Блинн ввёл рельефное наложение, способ изобразить неровную поверхность, не добавляя геометрии. Большая доля позднейших наложений происходит от этой уловки, и уловка полезная: глаз принимает нормаль, которая блуждает, даже когда полигон под ней плоский.
К концу десятилетия домашние компьютеры начинали отращивать собственные картинки. Самая ранняя известная программа трёхмерной графики для домашней машины называется 3D Art Graphics. Это набор эффектов, который написал Кадзумаса Митадзава и выпустил в июне 1978 года для Apple II. В позднем смысле это был не пакет моделирования. Это было доказательство, что предмет вышел из лаборатории, хотя бы как демо, которое можно купить.
Автоматы, затем микросхема
Современный игровой автомат родился в 1970-е на двумерных спрайтах реального времени. Pong в 1972 году стал одним из первых кабинетных автоматов, которые сделались хитом. Speed Race в 1974 году двигал спрайты вдоль дороги с вертикальной прокруткой. В Gun Fight 1975 года были человекоподобные анимированные персонажи. Space Invaders в 1978 году поместил на один экран большое число анимированных фигур. Две последние игры использовали баррельный сдвигатель из дискретных микросхем, чтобы Intel 8080 мог двигать графику кадрового буфера со скоростью, при которой в это ещё можно играть. Картинка уже была слишком тяжёлой для процессора в одиночку. В миниатюре этот факт и есть всё следующее десятилетие.
1980-е стали временем, когда область перестала быть академическим предметом, у которого по случаю нашлось несколько продуктов, и стала бизнесом с большим числом разработчиков. Разошлись домашние компьютеры. Картинки писали люди, которые никогда не увидели бы TX-2.
Сверхбольшая интеграция схем металл-оксид-полупроводник сделала доступными 16-разрядные процессоры и первые микросхемы графических процессоров. μPD7220 фирмы NEC был первой из таких микросхем, полностью интегрированным изделием на n-МОП. Он поддерживал разрешения до 1024 на 1024 и стоял на ряде плат. Intel 82720 был лицензионным клоном и первым графическим процессором Intel. Тогда же дешевела память. В середине десятилетия Texas Instruments представила видео-ОЗУ, память кадрового буфера, которую дисплей мог читать, не отнимая у процессора каждый байт. В 1984 году Hitachi выпустила HD63484, первый графический процессор на КМОП, способный на цвет высокого разрешения, а в монохроме на 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 другой предмет, нежели контроллер, умеющий только залить прямоугольник, описанный снаружи.
Позже возник спор о слове GPU. NVIDIA в 1999 году употребила его для микросхемы, которая вместе делала преобразование, освещение и рендеринг, и назвала GeForce 256 первой такой. μPD7220 раньше, и в простом смысле это графический процессор. Два «первых» относятся к разной работе. Заявлению NVIDIA место у потребительской трёхмерной платы.
Рабочие станции, японский трассировщик лучей, рыцарь из витража
Терминалы в этом десятилетии стали интеллектуальными. Большая доля графической работы переехала на рабочую станцию и сошла с мэйнфрейма. Ясный пример: Orca 1000, 2000 и 3000, машины фирмы Orcatech из Оттавы, компании, выделившейся из Bell-Northern Research под руководством Дэвида Пирсона. Orca 3000 использовала Motorola 68000 и секционированные процессоры AMD, работала под Unix и целилась в дорогой край автоматизированного инженерного проектирования. Художники в это же время решали, что персональный компьютер годится как инструмент дизайна, особенно Amiga и Macintosh. Macintosh оставался в студиях графического дизайна долго после того, как новизна сошла. Он был точен и быстрее прежних методов. В студии со сроком сдачи проверяют только это.
Машины начиная с 1980-х обычно пользовались графическим интерфейсом: символы и картинки, а не командная строка, как способ предъявить данные. Графика стала одним из пяти ключевых элементов мультимедиа, а не особым эффектом, прикрученным сбоку.
Для реалистичного рендеринга Университет Осаки в 1982 году построил LINKS-1, машину, в которой процессоров Zilog Z8001 было до 257. Ядро построения трёхмерного изображения состоит в том, чтобы вывести яркость каждого пикселя из точки наблюдения, источников света и объектов. LINKS-1 делал это, трассируя лучи (ray tracing) для каждого пикселя независимо и параллельно. С программами, написанными под такую схему, машина могла быстро строить очень реалистичные изображения. На 1984 год это был самый мощный компьютер в мире, полезное напоминание о том, как дорого обходилась убедительная картинка. В 1986 году Дэвид Иммель и Джеймс Каджия изложили уравнение рендеринга, шаг к глобальному освещению. Оно нужно, если цель в картинке, которая ведёт себя как свет, а не как живопись, изображающая свет.
Киноработу тех же лет тянули за собой Star Wars и другие научно-фантастические постановки. Lucasfilm и Industrial Light & Magic стали мастерской, к которой обращались другие студии. Хромакей, разные формы «синего экрана», продвинулся в поздних фильмах первой трилогии. Две работы 1985 года пережили десятилетие как вехи. Клип Dire Straits на «Money for Nothing» был достаточно близок к полностью компьютерному фильму, чтобы сделать компьютерную графику привычной музыкальной аудитории. Сцена в Young Sherlock Holmes вывела на экран рыцаря из витража, первого полностью компьютерного персонажа в полнометражном фильме. В 1988 году первые шейдеры, небольшие программы, чья работа только затенение и ничего больше, написали в Pixar, к тому времени уже отдельной от ILM компании. Что эти программы умеют, публика увидела только в следующем десятилетии. В конце 1980-х машины Silicon Graphics использовали в Pixar для части первых полностью компьютерных короткометражных фильмов. В том десятилетии рабочая станция SGI и была тем, как «серьёзная графика» выглядит в комнате.
Те же годы называют золотым веком видеоигр, по причине, которая мало связана с научными статьями. Atari, Nintendo, Sega и домашние компьютеры, PC под MS-DOS, Apple II, Mac, Amiga, показали компьютерные картинки молодой публике, которая их не просила, а потом отказалась отдавать. Кто умел программировать, на нескольких из этих машин мог написать собственную игру. В игровых залах оборудование трёхмерной графики реального времени пришло в 1988 году с Namco System 21 и Taito Air System, первыми платами, сделанными специально для этой работы. С профессиональной стороны Evans and Sutherland и Silicon Graphics строили трёхмерное растровое оборудование, от которого довольно прямая линия ведёт к позднейшему однокристальному GPU: мощная микросхема рядом с CPU, выполняющая графическую работу параллельно.
Десятилетие ещё и протолкнуло графику на рынки, о которых легко забыть, если смотреть одно кино. Digistar фирмы Evans and Sutherland проецировал звёзды для планетариев. Проектирование транспортных средств, их моделирование и химия брали те же методы и направляли их на решение, а не на зрительный зал. Дональд Гринберг в Корнелле провёл эти годы в преподавании и в письме. Он основал Центр NSF по компьютерной графике и научной визуализации, и замечательно много его студентов, в их числе Роберт Л. Кук и Марк Левой, перешли к работе, которая задала следующие годы. Область, которая так ясно умеет назвать своих учителей, ещё молода.