Первые дисплеи
Компьютерная графика опирается на электротехнику, электронику и телевидение в том виде, в каком они существовали в первой половине XX века. Экраны показывали специально подготовленные изображения и раньше. Братья Люмьер ещё с 1895 года использовали в фильмах каше для спецэффектов. Но возможности таких показов были ограничены, и интерактивными они не были. Что бы зритель ни делал в зале, картинка не менялась, разве что он мог уйти.
Первую электронно-лучевую трубку, трубку Брауна, изобрели в 1897 году. От неё произошли осциллограф и военные пульты управления, более прямые предки компьютерной графики. Это были первые двумерные электронные дисплеи, которые реагировали на программу или на действия человека. И всё же до 1950-х годов компьютерная графика едва ли была отдельной дисциплиной. Она возникла после войны из университетских и лабораторных разработок более совершенных компьютеров и из военных работ в области радиолокации, авиации и ракетной техники. Эти проекты выдавали больше информации, чем мог показать ряд стрелочных приборов. Чтобы с ней справиться, строили новые дисплеи, и вместе с ними появилась новая дисциплина.
Whirlwind, световое перо и партия в теннис
Ранние проекты вроде Whirlwind и SAGE превратили электронно-лучевую трубку в работоспособный дисплей и средство взаимодействия, а световое перо впервые стало устройством ввода. Дуглас Т. Росс, работавший над системой Whirlwind SAGE, написал небольшую программу, которая отслеживала движение его пальца и выводила на экран его траекторию: обведённое им собственное имя. Демонстрация скромная. Но в ней одним жестом выражена вся идея: рука движется, машина записывает путь, экран его показывает.
В 1958 году Уильям Хигинботам создал в Брукхейвенской национальной лаборатории игру Tennis for Two, чтобы развлекать посетителей. Она работала на осциллографе и имитировала теннисный матч. Это одна из первых интерактивных игр, в которой изображение можно было узнать и в которую можно было играть. В 1959 году Росс, всё ещё в MIT, работал над тем, как превращать математические формулы в трёхмерные траектории инструмента для станка. Попутно он вывел на экран персонажа мультфильмов Disney. Серьёзная задача и картинка уже работали на одной машине.
Компания Hewlett-Packard, основанная десятилетием раньше, вышла на биржу в 1957 году, а у её основателей были тесные связи со Стэнфордом. Отчасти благодаря этим связям юг области залива Сан-Франциско превратился в то, что позже назвали Кремниевой долиной. Компьютерная графика развивалась вместе с производством оборудования, а не в стороне от него. Изображению нужен был дисплей, дисплею нужны были схемы, а схемы были товаром.
Sketchpad
В 1959 году в Лаборатории Линкольна при MIT построили компьютер TX-2, в котором человек и машина могли взаимодействовать несколькими новыми способами. Световым пером можно было рисовать прямо на экране компьютера. Sketchpad Айвена Сазерленда, созданный на этой машине около 1962 года и показанный в 1963-м, до сих пор приводят в пример. Пером можно было рисовать простые фигуры, сохранять их и потом снова вызывать.
В кончике пера был маленький фотоэлемент. Он выдавал импульс всякий раз, когда электронная пушка экрана направляла луч прямо на него. Если сопоставить момент импульса с текущим положением луча, становится ясно, где находится перо. Тогда компьютер может нарисовать там курсор. Приём простой, но он решил задачу, которая казалась неудобной: экран это движущаяся точка света, а не поверхность, которой можно коснуться, поэтому вопрос «где перо?» приходится решать через время, а не через место.
Sketchpad изменил и само понятие рисунка. Чтобы получить квадрат, не нужно старательно сводить четыре линии. Достаточно сказать, что нужен прямоугольник, и указать, где он и какого размера. Программа строит его сама. Более того, программа Сазерленда моделировала сами объекты, а не их готовое изображение. Имея модель автомобиля, можно было изменить размер шин, не трогая остальную машину, или растянуть кузов, не деформируя шины. Многие более поздние программы для рисования до сих пор живут за счёт этой находки. Идей здесь две: ограничения и модель вместо готового штриха. Трёхмерная графика начинается со второй из них. Sketchpad III Тимоти Джонсона, созданный в том же году, показывал перспективный вид рядом с видами сверху, спереди и сбоку в виде интерактивных каркасных моделей. Скрытые рёбра оставались видимыми. По своим данным изображение было трёхмерным, но на плоской трубке всё ещё выглядело как путаница линий.
Имя, игра, компания
В 1961 году Стив Рассел, ещё один студент MIT, написал Spacewar! для DEC PDP-1. Копии игры разошлись по другим владельцам PDP-1. Одна копия оказалась и у самой DEC, и инженеры запускали игру для проверки каждой новой машины перед отправкой. Продавцы научились включать её перед клиентами и называть первой в мире видеоигрой. Теннис Хигинботама появился почти на три года раньше, но он так и остался в лаборатории. А Spacewar! путешествовала вместе с компьютером.
Около 1961–1962 годов в Кембриджском университете Элизабет Уолдрам написала программу, которая выводила радиоастрономические карты на электронно-лучевую трубку. Это изображение не было ни игрой, ни мультфильмом. Это были данные научного прибора, и их нарисовали потому, что таблица чисел плохо подходила для поставленного вопроса. В 1963 году Э. Э. Зайак из Bell Telephone Laboratories сделал на IBM 7090 фильм о том, как можно менять ориентацию спутника на орбите. В той же лаборатории работали Кен Ноултон, Фрэнк Синден, Рут А. Вайс и Майкл Нолл. Фильм Синдена Force, Mass and Motion иллюстрировал законы Ньютона. В Радиационной лаборатории Лоуренса Нельсон Макс снимал фильмы о вязкой жидкости и ударных волнах. Boeing сделал фильм о вибрации самолёта. Первые демонстрационные ролики этой области показывают людей, которые объясняют физическую систему тем, кто не станет читать уравнения.
В начале 1960-х Пьер Безье из Renault использовал кривые Поля де Кастельжо, которые теперь называют кривыми Безье, для моделирования автомобильных кузовов. Кривые труднее хорошо начертить, чем многоугольники. Но именно из них и состоит кузовная панель. Многое в более позднем моделировании опирается на эту заводскую математику.
Компании подключились быстро. К середине 1960-х годов этим занимались, среди прочих, TRW, Lockheed-Georgia, General Electric и Sperry Rand. IBM ответила графическим терминалом 2250, первым графическим компьютером, который поступил в продажу. В 1966 году Ральф Бэр из Sanders Associates придумал домашнюю игру, которую Magnavox позже продавала под названием Odyssey. Она была простой, а электроника в ней дешёвой. Игрок мог перемещать по экрану телевизора световые точки. Это был первый потребительский продукт в этой области.
Дэвид Эванс с 1953 по 1962 год руководил инженерной службой компьютерного подразделения Bendix, затем был приглашённым профессором в Беркли. Его интересовало, как взаимодействуют компьютеры и люди. В 1966 году Университет Юты пригласил его создать программу по информатике, и графика стала его главной темой. В 1970-е годы этот факультет стал главным исследовательским центром компьютерной графики.
В 1966 году Сазерленд построил первый шлем-дисплей, которым управлял компьютер. Он показывал два каркасных изображения, по одному для каждого глаза, так что зритель видел сцену стереоскопически. Конструкция, на которой держались дисплей и датчик положения, была такой тяжёлой, что её прозвали Дамокловым мечом, по вполне понятной причине. Шлем-дисплей для виртуальной реальности запатентовали ещё в 1960 году. Но именно машиной Сазерленда управлял компьютер, и изображение в ней строилось как графика. Из MIT Сазерленд перешёл в ARPA, затем в Гарвард, а в 1967 году Эванс пригласил его в Юту.
В 1968 году Эванс и Сазерленд основали первую компанию, которая занималась только оборудованием для компьютерной графики. Сазерленд хотел разместить её в Кембридже, штат Массачусетс. Но выбрали Солт-Лейк-Сити, потому что там была исследовательская группа. В том же году Артур Аппель из IBM в Йорктаун-Хайтс описал первый алгоритм бросания лучей. С него началось целое семейство методов, которые прослеживают путь света от источника к поверхности и дальше в камеру. В 1969 году Ассоциация вычислительной техники (ACM) создала SIGGRAPH, специальную группу по этой области. Первая ежегодная конференция прошла в 1973 году. Там до сих пор спорят о значительной части опубликованных работ.
Ещё два имени стоит назвать, потому что за ними стоят конкретные работы. Джек Брезенхэм в 1962 году придумал алгоритм построения отрезка, который до сих пор носит его имя, а позже алгоритм построения окружности по средней точке. Он проработал в IBM 27 лет, а затем преподавал в Уинтропском университете. Чарльз Цури в 1964 году создал работу, которую считают первым произведением компьютерного искусства. А. Майкл Нолл с 1962 года занимался цифровым искусством, намеренно используя случайные процессы, а в 1965 году он, Фридер Наке и Георг Неес первыми выставили компьютерное искусство публично. В апреле того же года галерея Говарда Уайза показала работы Нолла вместе с узорами из случайных точек Белы Юлеша. В первое десятилетие компьютерной графики уже были игра, индикатор системы вооружения, автомобильный кузов, спутник и стена галереи. Но ещё не было картинки, в которой большинство людей у себя дома узнали бы изображение с компьютера.