Введение в трехмерную графику

История трехмерной графики

Несмотря на то, что трехмерная компьютерная графика появилась сравнительно недавно, попытки воссоздать на фотографиях, картинах и кинопленке трехмерный мир предпринимались достаточно давно, задолго до появления компьютеров.

Человеческое зрение устроено таким образом, что человек видит два независимых изображения, которые позволяют воспринимать мир в трех измерениях. Именно благодаря этому мы можем видеть объемные предметы и определять, насколько они смещены в пространстве относительно друг друга и насколько удалены от нас.

Когда-то для имитации трехмерных изображений использовалось нехитрое устройство, которое называлось стереоскопом. Оно имело прорези для глаз, через которые зритель рассматривал две картинки, помещенные рядом ( рис. 1.1). Эти изображения были получены одновременно, но точки их съемки немного различались. В результате, когда человек через стереоскоп смотрел на одну картинку одним глазом, а на другую - вторым, ему казалось, что он видит трехмерное изображение ( рис. 1.2).

увеличить изображение
Рис. 1.1. Стереоскоп - устройство для просмотра стереоизображений

увеличить изображение
Рис. 1.2. Два изображения, которые создают стереоскопический эффект

В начале ХХ века появились первые стереоскопические фотоаппараты, которые имели два объектива, расположенных на расстоянии 65 мм друг от друга, что равняется среднему расстоянию между зрачками глаз. Такие фотоаппараты давали возможность без проблем получать стереоизображения.

Примерно в то же время была запатентована технология, позволяющая использовать стереоскоп для показа трехмерных фильмов. В этом случае вместо статических изображений применялись две кинопленки, изображения на которых были получены в результате одновременной съемки одних и тех же объектов с разных точек. Для достижения стереоэффекта при воспроизведении оператор обязан был следить за тем, чтобы воспроизведение на обоих проекторах происходило синхронно. Кроме того, проекторы должны были иметь идентичные технические характеристики.

В начале 1950 годов в Америке были очень популярны фильмы, для просмотра которых использовались поляризованные стереоочки с синими и красными стеклами ( рис. 1.3). Эффект достигался следующим образом: два изображения проецировались на экран через ортогональный поляризационный фильтр, накладываясь друг на друга. В результате зритель, надевший очки с такими же фильтрами, видел каждым глазом только тот спектр, который проходил через соответствующий фильтр. Таким образом достигался эффект стереоскопии.

увеличить изображение
Рис. 1.3. Поляризованные стереоочки

При возникновении компьютеров появилась возможность создания настоящих трехмерных эффектов. Первооткрывателем в этой области был один из самых известных людей в мировом кинематографе - Джордж Лукас ( рис. 1.4). Именно его фильмы "Звездные войны" прославились невиданными на то время спецэффектами. В 1975 году Лукас основал собственную компанию Industrial Light and Magic (ILM), которая занималась разработкой этих спецэффектов.

увеличить изображение
Рис. 1.4. Джордж Лукас одним из первых стал создавать спецэффекты в фильмах

Немного позже в рамках этой компании было основано подразделение LucasFilm CG (то есть LucasFilm Computer Graphics), которое начало активно развивать компьютерную графику. Именно оно выпустило в 1984 году первый анимационный CG-фильм "Приключения Андре и пчелы Уолли" (The Adventures of Andre & Wally B.) ( рис. 1.5). Этот фильм отличался от эффектов, которые создавались ранее, тем, что был полностью сделан при помощи компьютера. Сейчас в это трудно поверить, но для того, чтобы создать полутораминутную анимацию, были задействованы шесть суперкомпьютеров. На выставке компьютерной графики SIGGRAPH '84 анимация произвела фурор.

Рис. 1.5. Кадр из фильма "Приключения Андре и пчелы Уолли" - первой анимации, выполненной при помощи компьютера

После первого успеха отделение LucasFilm CG продолжило работать над совершенствованием средств создания компьютерной графики. Уже в 1985 году в фильме "Молодой Шерлок Холмс" (Young Sherlock Holmes) появился первый персонаж, созданный при помощи компьютера.

В 1986 году отделение LucasFilm CG было продано Стиву Джобсу (главе компании Apple Computer), и из подразделения было преобразовано в независимую компанию, которая сейчас называется Pixar.

Студия Pixar стала заниматься не только созданием CG-анимации, но и разработкой различных технологий, которые упрощают работу с компьютерной графикой. Например, в 1986 году студия создала графический компьютер Pixar Image Computer, который мог выводить на экран изображение с разрешением 1280 x 1024 пикселов в цвете и 2048 x 2048 пикселов в черно-белом режиме. Позже Pixar разработала средство для визуализации компьютерной анимации RenderMan, который до сих пор считается самым лучшим.

Создаваемые компанией анимационные фильмы имеют неизменный успех. По ним легко можно проследить этапы развития компьютерной графики. Если в 1980 годах Pixar выпускала только короткометражные фильмы и рекламные ролики, то уже в 1995 году был представлен первый полнометражный компьютерный мультфильм "История игрушек" (Toy Story) ( рис. 1.6). В 2001 году вышел фильм "Корпорация монстров" (Monsters, Inc.), в котором зрители впервые увидели героев с реалистичной шерстью, а в выпущенном в том же году студией DreamWorks "Шреке" (Shrek) - огромные леса с детальной прорисовкой деревьев и даже листьев на них.

увеличить изображение
Рис. 1.6. "История игрушек" - первый полнометражный анимационный фильм

Сегодня созданием полнометражных анимационных фильмов занимаются не только студии Pixar и DreamWorks, но и многие другие известные компании, в том числе Warner Bros. и Sony, а потому такие фильмы выходят один за другим. Уже никого не удивляют и полнометражные CG-фильмы, где трехмерные герои "играют" вместо настоящих актеров.

Компьютерная графика нашла применение и во многих других сферах, которые далеки от кинематографа. Например, с ее помощью моделируются фотореалистичные здания и интерьеры, которые в реальности не существуют. Она также помогает медикам исследовать организм человека, археологам - воссоздавать на компьютере предметы, которыми пользовались наши предки, и даже древние города, в которых они жили. Кроме того, компьютерная графика широко используется в сфере развлечений, ведь с ее помощью выполняются все современные компьютерные игры.

Благодаря тому, что за последние двадцать лет было изобретено множество технологий, упрощающих работу с компьютерной графикой, и тому, что мощности компьютеров за это время возросли во много раз, создание фильмов и спецэффектов больше не является уделом только профессионалов. Чтобы создать полутораминутную анимацию типа "Приключений Андре и пчелы Уолли", сегодня не нужно иметь большую команду профессиональных аниматоров и мощнейшие суперкомпьютеры. Подобный проект под силу выполнить даже одному человеку на домашнем ПК.