Когда компьютерная картинка стала обычной
Главная перемена 1990-х годов в том, что трёхмерное моделирование подешевело настолько, что стало обычным делом, а компьютерная графика в целом заметно улучшилась, и это видел даже неспециалист. Домашний компьютер мог взять на себя рендеринг, который раньше выполняли рабочие станции стоимостью в тысячи долларов. Когда программы для моделирования заработали на домашних машинах, рабочая станция Silicon Graphics потеряла своё бесспорное положение, и обычным выбором стали PC под Windows и Macintosh с инструментами Autodesk, такими как 3D Studio, или другими программами рендеринга для настольных компьютеров. К концу десятилетия графическая микросхема уже шла к тому положению, которое занимает до сих пор.
Впервые некоторые отрендеренные изображения неподготовленный глаз мог принять за фотографии. Опытного художника по компьютерной графике они не обманывали, и разрыв между этими двумя зрителями определил сюжет следующих двадцати лет. Кроме того, трёхмерная графика стала обычной в играх, мультимедиа и анимации, а не отдельным эпизодом, на который показывают пальцем.
Телевидение, а затем «История игрушек»
В конце 1980-х и начале 1990-х годов во Франции появились первые телесериалы, созданные с помощью компьютерной графики. La Vie des bêtes студии Mac Guff Ligne вышел в 1988 году. Les Fables géométriques студии Fantôme шли с 1989 по 1991 год. Quarxs Мориса Бенаюна и Франсуа Схёйтена, сделанный в студии Z-A, выходил с 1990 по 1993 год и стал первым компьютерным сериалом для телевидения высокой чёткости. Сериал важнее отдельного фильма. Сериал означает, что весь производственный процесс можно повторить и на следующей неделе.
В кино на это десятилетие приходится коммерческий взлёт Pixar. История игрушек Джона Лассетера (1995) имела успех и у критиков, и в прокате, где её сборы исчислялись сотнями миллионов долларов. Модели строили на рабочих станциях Silicon Graphics и Sun. Кадры рассчитывал RenderMan. Это был первый полнометражный фильм для кинотеатров, изображение в котором полностью создал компьютер. Студия, придумавшая программируемый шейдер, продолжала выпускать анимационные фильмы, и её заранее просчитанная графика оставалась ориентиром для всех остальных. У давней мечты Эдвина Кэтмелла о полнометражном компьютерном фильме появилась дата премьеры.
Игры, которые действительно были трёхмерными
В 1992 году Virtua Racing на аркадной плате Sega Model 1 заложила основу полностью трёхмерных гонок и показала широкой игровой аудитории полигональную графику в реальном времени. Model 2 в 1993 году и Model 3 в 1996 году развили это оборудование дальше. На PC компания id Software за это десятилетие выпустила Wolfenstein 3D, Doom и Quake, используя подход к рендерингу, который разработал в основном Джон Кармак. Эти игры были невероятно популярны и показали целому поколению игроков, каково это, когда вид от первого лица рассчитывается в реальном времени. Здесь стоит провести различие. Мир Doom трёхмерен не в том смысле, в каком трёхмерны более поздние игры со свободной камерой. Но игроки воспринимали его как объёмный. Ограничение было техническим решением, которое заодно стало стилем.
Sony PlayStation, Sega Saturn и Nintendo 64 разошлись миллионными тиражами и принесли трёхмерную графику в гостиные. Особенно многому игроков научили несколько игр конца 1990-х: Super Mario 64, The Legend of Zelda: Ocarina of Time и файтинги вроде Virtua Fighter, Battle Arena Toshinden и Tekken. После них приставка без трёхмерной графики выглядела недоделанной, даже если конкретной игре трёхмерность была не нужна.
Микросхема, которая назвала себя GPU
Алгоритмы продолжали развиваться. В 1996 году Венкат Кришнамурти и Марк Левой описали карты нормалей (normal mapping), усовершенствованное рельефное текстурирование Джима Блинна. Карта нормалей хранит не высоту, а направление, и освещение ведёт себя так, будто поверхность детальнее, чем сетка. В 1999 году Nvidia выпустила GeForce 256, первую видеокарту для домашних компьютеров, которую продавали как графический процессор (GPU). По словам самой компании, в ней были «интегрированные блоки преобразования, освещения, подготовки и отсечения треугольников и рендеринга». Одна микросхема обрабатывала и геометрию, и пиксели. Nvidia назвала её первым в мире GPU.
Рядом с этим заявлением стоит вспомнить более раннюю микросхему. μPD7220 компании NEC, выпущенная в начале 1980-х годов, уже была единым интегрированным графическим процессором, первым в своём роде. GeForce 256 была первой в другом: преобразование и освещение выполнялись на самой видеокарте, в продукте для домашнего PC. К концу 1990-х годов компьютеры также пришли к общим программным интерфейсам, DirectX и OpenGL. Вторым крупным производителем видеокарт стала AMD в лице ATI. Дуополия ведёт отсчёт с этого десятилетия.
2000-е и провал на графике
К концу 1990-х годов игры и компьютерное кино сделали компьютерную графику массовой. В 2000-е этот процесс ускорился. Компьютерную графику стали повсеместно использовать в телерекламе, так что даже те, кто никогда не играл в игры и не ходил на мультфильмы, всё равно видели её каждый вечер. Графические микросхемы становились всё мощнее, и от производителей настольных компьютеров уже ожидали, что они поставят GPU с поддержкой трёхмерной графики. В начале десятилетия господствовала линейка GeForce от Nvidia, а серьёзным конкурентом была ATI. Позже даже в дешёвых машинах обычно был какой-нибудь трёхмерный чип, потому что и Nvidia, и AMD продавали недорогие модели и делили рынок между собой.
Шейдеры, появившиеся в 1980-х годах как специальные программы для графического оборудования, к концу 2000-х поддерживало большинство потребительских видеокарт. Это ускорило отрисовку и сделало детальные текстуры и затенение нормой, а не исключением. Карты нормалей, рельефное текстурирование и целое семейство похожих уловок позволяют сравнительно грубой сетке выглядеть как детальная поверхность. Изображения в фильмах и играх настолько приблизились к фотографии, что попали в зловещую долину: так называют спад комфорта, который, как считается, возникает, когда человеческое лицо выглядит почти правильно, но всё же неправильно.
Последняя фантазия: Духи внутри (2001) стала первым полностью компьютерным полнометражным фильмом с фотореалистичными персонажами, целиком сделанным с помощью захвата движения. Кассового успеха фильм не имел. Некоторые критики винили в этом лица, оказавшиеся в той самой долине. Полярный экспресс привлёк похожее внимание. Другие компьютерные фильмы просто не стали рисковать. Ледниковый период, Мадагаскар и фильмы Pixar вроде В поисках Немо лидировали в прокате анимации как мультфильмы, трёхмерные по своим моделям, но явно не пытавшиеся сойти за фотографию. Звёздные войны вернулись трилогией приквелов и раз за разом поднимали планку того, сколько игровое кино должно тратить на цифровые изображения.
На приставках большую аудиторию собрали PlayStation 2 и 3, линейка Xbox и Nintendo GameCube, а также PC под Windows. Серии вроде Grand Theft Auto, Assassin's Creed, Final Fantasy, BioShock, Kingdom Hearts и Mirror's Edge стремились к фотографической детализации и помогли игровой индустрии вырасти настолько, что о её доходах стали говорить наравне с кино. Microsoft попыталась упростить DirectX для независимых разработчиков с помощью XNA. Эта программа не прижилась. А сам DirectX прижился. Рядом с ним развивался OpenGL, и шейдерные языки второго поколения, HLSL и GLSL, стали обычным способом писать самую интересную часть рендерера.
В научных вычислениях появился GPGPU: большие объёмы данных передают между графическим процессором и CPU в обе стороны, чтобы использовать графический процессор как вычислитель. Это ускорило работу в биоинформатике и молекулярной биологии. Ту же идею применили для майнинга биткоинов, и она пригодилась в компьютерном зрении. Микросхема, созданная, чтобы раскрашивать треугольники, превратилась в универсальную вычислительную машину, которая к тому же хорошо справляется с треугольниками.
2010-е и после
В 2010-е годы компьютерная графика стала в видео почти вездесущей. Заранее просчитанная графика могла быть фотореалистичной в научном смысле, а графика реального времени на мощной системе какое-то время могла сойти за такую для неподготовленного глаза. Наложение текстур превратилось в многоступенчатый процесс. Обычно в одном движке сочетают цветовую текстуру, карту рельефа или нормалей, карты освещения, отражения и теневые объёмы, а управляют всем этим шейдеры. Для сложной работы шейдеры практически обязательны. Они позволяют программе обрабатывать пиксели, вершины и текстуры поэлементно, и это даёт огромную свободу, в том числе свободу всё испортить. HLSL и GLSL оставались активной областью исследований. Как и физически корректный рендеринг, который использует много карт и более сложный расчёт освещения, чтобы материалы вели себя скорее как оптические поверхности, чем как краска. Затенение окружающим светом, подповерхностное рассеяние, рэлеевское рассеяние, фотонные карты и трассировка лучей тоже находились на этом оживлённом переднем крае. Начались эксперименты с 4K в реальном времени. Они были под силу только самому мощному оборудованию.
В кинотеатрах большинство полнометражных анимационных фильмов делали на компьютере, и лишь немногие из них стремились к фотореализму. Страх перед зловещей долиной никуда не делся. В основном снимали трёхмерные мультфильмы. В гостиных стояли домашние приставки Xbox One, PlayStation 4 и Nintendo Switch, все с развитой трёхмерной графикой, а Windows оставалась одной из главных игровых платформ.
В 2020-е годы трассировкой лучей стало можно пользоваться прямо тогда, когда изображение на экране. Чтобы его увидеть, больше не обязательно было ждать всю ночь. Появились методы искусственного интеллекта для генерации кадров и повышения их разрешения. Nvidia продвигала и то и другое: ядра для трассировки лучей, а также DLSS и тензорные ядра. AMD последовала за ней с FSR и собственным оборудованием для трассировки лучей. Спор, начавшийся с лучей Аппеля в 1968 году, о том, прослеживать ли свет или достаточно быстро его имитировать, теперь сводится к пункту в меню видеокарты. Метод, которому когда-то требовался самый мощный компьютер на Земле, стал настройкой.