Критична история на компютърната графика и анимация

Раздел 4:
Основи и приложни изследвания на хода напроизводството.

В края на 1950 г. и десетилетието на 1960-те имаше значително развитие в компютърната графика и изчисления, екраните, както и входните и изходните устройства. Естеството на компютъра, в този момент в историята е, че е той позволи да се пишат програми за изпълнение на различни функции. Но в първите дни на компютърната графика, потребителите закупуват своя хардуер, а тежестта от развитието на тези програми за многократна употреба, често включва развитието на основните алгоритми за създаване на изображения, като това падна върху плещите на всеки индивидуален потребител.

Изследователи от университети и лаборатории по целия свят започнаха да изследват техники, които могат да използват силата на компютъра и неговия дисплей и така посредством взаимодействащи си устройства да бъдат полезни при решаването на проблеми и да предоставят възможности, които може да са извън обсега на някои потребители, поради сложността на този програмен процес.

MIT

Някои от ранните алгоритми и разработки на софтуер бяха направени в Масачузетския технологичен институт и университета в Харвард.

Том Stockham е в Линкълн Labs по проект за използване на компютри за обработка на фотографски материали. Неговата техника е използването на факс машина за "дигитализиране" на снимката, така че всеки елемент от картината (който по-късно ще бъде известен като пиксел) може да бъде представен като число в паметта, която представлява градация на сивото. Веднъж, след като той извлече този образ в цифров вид, той може вече да манипулира свойствата на снимката като динамичен обхват и контраст, и след това отново да снима изображението от екрана на монитор с ЕЛТ. Следователно, това, което сега е в общ софтуерен пакет, като Photoshop - за обработка на изображения, е вследствие от едно дълго развитие.

Един професор в катедра машиностроене в Масачузетския технологичен институт през 1950-те и 1960-те години, Стивън Coons, е имал визия за интерактивна компютърна графика като мощен инструмент за проектиране, конструиране и дизайн. По време на Втората световна война, той е работил по дизайна на въздухоплавателни средства, и по-специално върху формата на крилата на самолетите, като се е опитвал с развитието на математиката да опише генерализирани "повърхностни петна", т.е. използвал е математически функции за описание на повърхнините. В Electronic Systems лаборатория в MIT той изследва математическата формулировка за тези петна, и през 1967 г. публикува един от най-значителните приноси в областта на геометричния дизайн, монография, която е станала известна като "Малката червена книга". Неговото "Coons петно" е комплексна формула, стъпваща на математическата основа, както и интуитивно тълкуване на идеята, че в крайна сметка неговата работа ще се превърне в основа за описания на повърхнини, които обикновено се използват и днес, като б-сплайнови повърхности, NURB повърхности и др. Неговата техника за описване на повърхност е, тя да се изгради от събирането на съседните парчета, които са с приемствена ограниченост. В резултат на това те биха позволили да се формират повърхности с кривина, която е желана от дизайнера. Всеки патч е дефиниран от четири гранични криви, както и набор от "бленд функции", които определят как интериорът е изработен от интерполирани стойности на границите.

Двама от учениците на Coons бяха Иван Съдърланд и Лорънс Робъртс, и двамата продължилха да работят по направление на компютърната графика и (в случая на Робъртс) и на компютърните мрежи.

Лорънс Робъртс пише първия алгоритъм за премахване на скрити или закрити повърхности при гледане на снимката от перспектива . През 1965 г. Робъртс изпълнява хомогенна координирна схема за трансформация и перспектива. Неговите решения на тези проблеми подканиха много опити през следващото десетилетие, за да се намери по-бърз алгоритъм за генериране на скритите повърхности, много от които са били изследвани в университета в Юта (виж по-долу).

Харвард

След като завършва Масачузетския технологичен институт, Иван Съдърланд за кратко е в ARPA, и след това е назначен в Харвард. Там той е ангажиран в изследвания за производството на снимки с динамична перспектива.

    През 1966 г., Иван Съдърланд се премества от ARPA към Харвардския университет като доцент по приложна математика. В ARPA, на Съдърланд е помогнал JCR Licklider за изпълнение на взаимодействие човек-компютър, след което той се завръща в академията, за да преследва собствените си усилия за да разшири човешките способности върху компютрите. Съдърланд и ученикът му Робърт Sproull, се насочват към "отдалечената реалност" - визията за системи на проекта на Bell Helicopter във VR за замяна на фотоапарата с компютърно генерирани образи. Първата компютърна среда е не повече от рамка на стая с посоки - север, юг, изток и запад - с надписи на стените. Зрителят може да "влиза" в стаята по посока от "Западната" врата и да се обръща към прозорците в другите три посоки и да гледа през тях на вън. Тази технология стана известна като VR.
     Съдърланд експериментира, изграждайки мрежа от лични и професионални контакти, което му позволява да развива Масачузетския технологичен институт и ARPA. Финансирането на проекта на Съдърланд идва от различни източници, като военни, академични и индустриални такива. Централното разузнавателно управление му отпуснало $ 80,000 допълнително финансиране, а други суми са идвали от ARPA, Изследователската Служба на Военноморския флот и Bell Laboratories. А техниката по проекта е предоставена от Bell Helicopter. А PDP-1 компютъра бе осигурен от ВВС, а ултразвуковата глава на звуков сензор е предоставена от MIT Линкълн лаборатория, също по силата на договор с ARPA.
     Съдърланд представи редица форми на интерактивни графики, които по-късно станаха популярни, включително увеличена реалност, в която синтетични, компютърно генерирани образи са насложени върху реалистично изображение на сцена. Той използвал тази форма на VR практически опит с прилагане в медицината. Първият публикуван изследователски проект за разполагането в 3D дисплейя на разгледани проблеми, представлява хемодинамичен поток в модели на протези на сърдечните клапи. Идеята е резултатите да се генерират от изчисленията включващи физични закони на механиката на флуидите и разнообразие от цифрови техники за анализ, за да създадете синтетичен обект, който може да движи и да се мести на около (Greenfield et Ал., 1971).
     По-късно Съдърланд припомни, че тогава не е било ясно, че няма възможност за незабавно осъществяване на своята първоначална визия за дисплей. И все пак, той смята, че проекта е важен, като фокусирал вниманието, и че е определил набор от проблеми, които са мотивирали хората за много на брой години да мислят и работят." Въпреки, че VR бе невъзможен за тогава проект, той доказа, че трябва да се върви на пред и да се притиска твърдо технологичния напредък до колкото е възможно. Съпътстващите дейности през този период са неговата най-голяма стойност.
     Някои от първоначалната Харвардска група също спомогнаха в някаква форма [Еванс и Съдърланд], включително Чарлз Зайц, който се присъедини към факултета Юта през 1970 г. и остава до 1973 г., когато той се мести в Калифорнийския технологичен институт и основава Myricom с Дан Коен, друг възпитаник Харвард, имат съществен приснос за развитието на тези техники. Взаимодействието между научните изследвания върху основните проблеми и развитието на хардуера и софтуера за военни цели от Evans & Sutherland е важна характеристика на работа им в Юта.

Групата на Съдърланд също така разви първия клипинг алгоритъм, който премахва всяка част от синтетичната среда, която е извън полето на камерата.

Уилям Нюман беше също в Харвард през този период. Той се интересуваше от изграждането на управляващи езици за интерактивно използване на компютъра. Неговите идеи за програмируем език са от голямо значение в развитието на графичен интерфейс и връзката човек - компютър. Нюман е съавтор с Робърт Sproull и Карнеги Мелън на един от най-влиятелните учебници в областта на компютърната графика, където са описани принципите на интерактивните компютърни графики, публикувана от McGraw-Hill през 1973 година. Нюман беше там за да продължи своята работа в HCI Xerox PARC.

Coons, Steven A. 1967. Повърхннини за компютърно проектиране на пространствени форми, Проект Доклад MAC MAC-TR-41. Масачузетския технологичен институт, Кеймбридж, Mass

Графично изображение на пластир на Coons. Извивката на интериора се контролира от геометрията на ръбовете и ъглите, с изобразяване на вектори за осигуряване на контрол.

Съдърланд's HMD

Bell Labs

Bell Labs в Мъри Хил, Ню Джърси беше водещ в изследванията в компютърната графика, компютърната анимация и електронната музика от основаването си в началото на 1960-те години. Първоначално изследователите са интересуват от това, какво компютъра може да се направи да върши като работа, но резултатите от визуалната работа, проведена с компютъра през този период е дело на хора като Майкъл Noll и Кен Knowlton, които се явяват пионери ваятели на компютъра, както и учени.

Физик Едуард Zajac произвежда един от първите компютърно генерирани филми в историята в Bell Labs през 1961 година. Той показва, че един космически спътник може да бъде стабилизиран, така че винаги да има обърната към земята страна докато обикаля. Този филм е озаглавен Два жироскопа осигуряват система за контрол.

Кен Knowlton и Леон Хармън експериментират с човешкото възприятие и образец на изкуството от усъвършенстване на техниката, която сканира, фрагментира и реконструира снимки използвайки шаблони от точки. Техните легнали голи тела (изображение на танцьорка Дебора Хей) бяха представени на едно от първите изложения за компютърни изкуства.

Кен Knowlton разработи Beflix (Бел Flicks) система за анимация през 1963 г., която бе използвана за производството на десетки художествени филми от дейците на изкуството Стан VanDerBeek, Noll, Knowlton и Лилиан Шварц.

Рут Вайс е създаден през 1964 г. (публикуван през 1966 г.) и в него са използвани някои от първите алгоритми за преобразуване на уравнения на повърхности.

Творческите/научно-образователните изображения създадени със серизоно положени усилия от Bell Labs бяха едни от първите, които показват, че електронната цифрова обработка (с помощта на компютър IBM 7094) може да бъде съчетана с електронен филмов запис (с помощта на Stromberg-Карлсън 4020 микрофилм рекордер), за да генерира изображения с висока резолюция. С десетина филми, създадени между 1963 и 1967 г., и много повече филми след това, те също така показват, че компютърната анимация е жизнеспособна дейност. Работа на Zajac's във филмите от Франк Sinden студио (например сила, маса и движение) и проучванията на Noll в областта на стерео двойките (напр. Симулация на базиларна мембрана и нейното движение) са някои от най-ранните приноси към това, което сега е известно като научна визуализация.

Noll и други изследователи от Bell Labs допринесли за някои от най-ранните произведения на изкуството на първата официална изложба на компютърно изкуство в Съединените щати през 1965 година. Изложбата е наречена "компютърно генерирани снимки" и е разположена на Хауърд Wise галерия в Ню Йорк. Бела Julesz, също от Bell Labs, участвали в изложбата, както добре.

Някои от началните произведения на изкуството на Майкъл Noll's са един опит да се представят съществуващите възможности за изобразително изкуство пренесено на компютъра. Например, един от ранните му компютърно генерирани образи е предаване на "Оп-художник" живопис от Бриджет на платно озаглавено "Течение", което Noll mimiced използва, за да от представи вълните изобразени на картината. Той също така "дублира" Композицията Mondrian с линии, използвайки визуални представителства създадени със "случайни" номера. Кръговият образ беше представен, заедно с копие на оригинала, на група от учени в Bell Labs като тест за възприятие. Обектите, действително предпочитат компютърно генерирана версия, която те също маркират като най-оригинална.

Други ранни "компютърни художници" (в допълнение към Noll, Knowlton, Шварц, VanderBeek, Zajac и Хармън), които работят в Bell Labs са Манфред Шрьодер и Франк Sinden.

Откъс от "Художникът и компютъра"
Bell Labs показва компютри.

Съчетанието от кадри от филма Zajac.

Корица на книгата "Машина, както се вижда в края на механичната епоха, от KG Понт Hulten. Книгата е с метален капак.

Knowlton и Хармън

Mondrian Noll's експеримент

Noll, Майкъл. Леонардо V27, # 1.

Vanderbeek и Шварц.

LLNL.

Пионерска работа в областта на софтуера за компютърна графика и анимация, най-вече от гледна точка на перспективата, се състоя в Лорънс Ливърмор Национални лаборатории от началото на 1950 г.. Интересът към тази технология е свързан с оръжейните изследвания и такива области като динамиката и проучванията на топлинната енергия и водния поток. Тези изследвания допринесоха изключително за развитието на "голямата" изчислителна техника, или това, което сега се нарича Supercomputing. Джордж Майкъл, който започна в лаборатория през 1953 г. постави една интересна история в уеб страница, посветена на историята на лабораторията.

Стив Лавин написал книга за SIGGRAPH 75, описващ дейностите там през този период.

В друга част от LLNL, Нелсън Макс е работил като изследовател на компютърната графика и анимация. Макс също така по-късно става професор в Университета на Калифорния, Дейвис/Ливърмор. Изследователските му интереси, са насочени към реализъм в природата на създаваните изображения, молекулярната графика, компютърната анимация и 3D научната визуализация. Той служи като директор на отдела по компютърна графика на Fujitsu в Експо в Япония.

Нелсън получил бакалавърска степен по математика от "Джон Хопкинс" и докторска степен по математика (топология) от Харвардския университет през 1967 г.. Той е бил преди това във факултета по CMU и в университета Case Reserve в Кливланд (1976 г.) и се присъединява към LLNL през 1977 година. Неговият 1977 CG филм Нелсън Макс, Turning Sphere Inside Out (Международен филмово бюро, Чикаго, 1977 г.) е един от класическите опити за начало на новата дисциплината в правенето на филми. В LLNL той също така направи редица анимации на молекулярната структура, която служи, за да покаже ролята на CGI в процесите на създаване на научна визуализация. Най-известните от тях са с ДНК Ethidium и доксорубицин / ДНК. Той е също така средство за успеха на филма IMAX Магията Яйце показан на SIGGRAPH 84 в Минеаполис.

Университета в Юта

Университета в Юта се оформи като един от пионерните центрове, и със сигурност най-влиятелния за компютърна графика в страната. Те (Юта) са поискали от Дейвид Еванс ( който се присъедини към Юта през 1965 г.), да създаде програма, която да бъде изпреварваща в развитието на техниката за изкуство в тази нова област в 1968 г. Катедрата по компютърни науки е получила голямо финансиране по линия на ARPA ($ 5M/год. за 3 години), в който проект са ангажирани много преподаватели и докторанти, които са извели дисциплина CGI до мястото, където е и днес. По думите на Робърт Rivlin в книгата си "Algorithmic Снимка: Графични визии на компютърната епоха," Почти всеки влиятелен човек в съвременната компютърна графика е или преминал през Университета на Юта или влязъл в контакт с него по някакъв начин "

Евънс се присъедини към Иван Съдърланд, който се развиваше Sketchpad в Масачузетския технологичен институт и по-късно служи на позиция в Министерството на отбраната, да се създаде среда, в която бяха предложени нови проблеми в тази дисциплина, и по-творчески решения, които са намерени. Те по-късно основаха "Евънс и Съдърланд Компютърна компания" за разработване за пазара на CAD/CAM системи за конструиране, моделиране, както и за симулатори на самолетни полети.

Някои от най-важните алгоритми, за да се развиват теоретичните резултати от изследванията в Юта на групата CG включват:

• Скрити площ (Ромни, Уорнък, Уоткинс)
• сканиране на линейна съгласуваност (Уоткинс)
• рендериране (Кроу, Blinn, Newell, Catmull, Кларк, ETAL)
• Z-буфер (Catmull)
• патч рендер (Catmull)
• Текстуриране (Catmull, Blinn, Newell)
• Сенки (Кроу)
• Antialiasing (Кроу)
• сенки (Фонг, Gouraud)
• Осветление (Фонг, Blinn)
• Атмосферни ефекти (Blinn)
• Околна среда (Blinn, Newell)
• повърхности (Blinn)
• Лицева анимация (Парк)
• Процедурно моделиране (Newell)
• Сплайн линии (Riesenfeld, Lyche, Коен)
• Бета-сплайни (Barsky)

и много други. Много от тези алгоритми са довели до образуването на значително прилагане в хардуера, включително СПД-1, SGI геометрия, Head Mounted Display, модерен буфер, симулатори на полети и др.

Една от първите "Motion Capture" системи е разработена именно в Юта. Наречен Twinklebox, системата е използвана заедно със светодиодите, които биха могли да бъдат осветени в бърза последователност по компютърно управление, както и сложен механизъм за сканиране, състоящ се от въртящ се диск с радиално тесни процепи и лещи. Сканирщите дискове, разположени в ъглите на кутията, позволяват на системата да създаде серия от сканиране с едно измерение на околната среда, включително и осветлението. С помощта на математически процес, тези сканирания бяха комбинирани, за да се определи 3D позицията на всяка от светлините.

В началото опита в Юта включваше два PDP-10 компютъра, един от които са използвали TENEX мулти-система за достъп, а другия остана само компютър за достъп. Дисплея, разработен от Съдърланд в Харвард е свързан с един компютър - Twinklebox. Хардуерното изпълнение на алгоритъма Уоткинс е бил използван за дисплея и СПД-1, разработен от E&S е свързана също с PDP-10. Цялата тази среда е свързана с новата мрежа ARPA.

А добре известен принос на групата от Юта е Юта Растер Toolkit, разработени от Томас Спенсър, Род Богарт и Джон Питърсън. Юта Растер Toolkit е набор от програми за манипулиране и композиране на растерни изображения. Средствата са базирани на Unix концепции, и действат на изображенията по същия начин, както и стандартните инструменти на Unix, които работят върху текстови данни. Инструментариумът е използван като специален run lenght encoding (RLE/УПИ) формат за съхраняване на снимки и взаимодействието между различните програми. Това намалява изискванията относно дисковото пространство за съхранение картини, съдържащо описателна информация за изображенията.

Лицата, които са участвали в програмите в Юта са създали много водещи компании в областта на графичната индустрия, включително Е & S, Silicon Graphics, Adobe, Ashlar, Atari, Pixel Самолети, Netscape, Pixar и др

Юта алгоритми за фон.

Фред Парк

  Бродерии Съдърланд's VW

Джим Blinn - картографиране

Фонг - оцветяване на прозрачно стъкло.

Текстурни карти и карти на отражение от дисертация на Ед Catmull's.

В GDC се занимава с фундаментални и приложни изследвания в разработването на методи за представяне, специфициране, манипулиране и визуализиране на геометрични модели. Групата има проекти, които варират от началото на идеен проект до иновативни методи за производствени процеси и от приложения за подробно моделиране на големи системи. Помощта от тези приложения е от фундаментално значение за работата по създаването на повърхнините и представянето на модела, изчислияването на геометрията му, неговата топология, диференциална геометрия, и числен метод.

Един от началните успехи бе Alpha_1 - единна среда за моделиране. Въз основа на резултатите от проекта за изследвания GDC, Alpha_1 е софтуерна система с модерна изследователска база, подкрепяща употребата и научните изследвания в областта на геометричното моделиране, висококачествените графики, кривите повърхннини и алгоритми, инженерното проектиране, инженерния анализ, визуализацията, процеса на планиране, както и компютърно интегрираното производство.

Твърдотелните модели в Alpha_1 са представени от ограничени Б-сплайнове (NURBS) - представляващи представянето на граници. Това е, повърхностите на солида са представени ясно и свързани помежду си чрез споделени ръбове. Тя се осъществява в C + +. Голяма част от сърцето на геометрията се основава на новаторска работа по сплайн линиите на Riesenfeld (Syracuse University), както и на работата на Riesenfeld, Коен и други.

Изображения от Alpha_1

Държавния университет в Охайо

Чарлз Csuri, артист в Държавния университет в Охайо, започна да експериментира с прилагането на компютърната графика за целите на комерсиалното изкуство през 1963 година. Неговите усилия доведоха до видни CG лабораторни изследвания, които са получили финансиране от Националната научна фондация и други държавни и частни агенции. Работата по OSU се върти около езиците за анимация, моделиране на сложни среди, потребителски-ориентирани интерфейси, описания за създание на човешки движения, както и други области от интерес за дисциплината.

Зората на една епоха - OSU CGRG / Акад

Синусова Крива - Чарлз Csuri

Лабораторията за реактивни двигатели (JPL)

Боб Holzman създаде JPL CG лаборатория през 1977 година. Работейки с Иван Съдърланд, който се е преместил от Университета на Юта в Калифорнийския технологически институт, той представял група с технологична експертиза за целите на визуализиране на данни, които се получават от космически мисии на НАСА. Съдърланд препоръчва завършилия студент в Юта на име Джим Blinn, чието име е станало синоним на JPL и на представянето на графиката като цяло. (Съдърланд веднъж коментира, че "има около десетина велики хора, чиито принос в компютърна графика е съществен, като Джим Blinn е един от тях.")

Blinn получи бакалавърска степен по физика и комуникации науки от университета в Мичиган през 1970 г., преди компютърните науки да бъдат предложени като предмет в колежа. Той продължи да учи и спечели магистърска степен по инженерство в Мичиган и докторска степен по компютърни науки в Университета на Юта през 1978 година.

Blinn е работил с различни техники, изображения в Юта и е имал визията да ги развива в жизнеспособна система за визуализация на задачите, които Holzman е очертал. Blinn участва в серия от симулации, включително на космическите сонди Вояджър, Pioneer и "Галилео" космическите полети към Юпитер, Сатурн и техните спътници. На следващо място, Blinn разработи CG серии за Annenberg / КПБ, филм озаглавен "Механичната Вселена", който се състои от над 500 сцени разделени на 52 серии от по половин час. Той работи с Карл Сейгън за PBS сериала Космос.

"Галилео" лети по -

Мимас полет от -

Пръстените на Сатурн

Пионер 11-полет от

Човекът който Иван

Питагорова формула

Историята на Пи

Механични Вселена 1

Механични Вселена 2

Национален съвет за научни изследвания на Канада

Национален съвет за научни изследвания на Канада с основен учен Нестор Burtnyk започна първият по същество изследователски проект в Канада за компютърна графика, през 1960-те. Marceli Уейн, който се присъедини към този проект през 1966 г., е бил изложен на потенциала на компютърните изображения докато учи в университета Макгил. Той си партнираше с Burtnyk за преследване на перспективната област на прилагане на развиващите се компютърни техники за анимация.

Отделът за радио и електротехника Дейта Системс Груп искаше да разработи начини да направят компютрите по-лесни за използване. В традиционния процес, ръководителя на анимационния филм рисува ключови картинки, които показват действията. Асистенти подготвят запълването на тези картинки, които носят изображението от една позиция за следващата.

Работата на асистент на художник аниматор изглеждаше като идеалното средство за демонстрация за компютърна анимация. В рамките на една година, от Burtnyk са програмирали пълен пакет "ключ – анимация - кадър", който ще позволи създаването на анимирани поредици, като пакета предоставя само основната рамка. "Национален филмов съвет в Монреал, беше установил, че е добре да се даде възможност на творците да експериментират с компютърна анимация.

Първото експериментално кино, включваше свободни рисунки, наречено Метаданните, е направено от художника и аниматор Петър Фьолдеш. Това е довело до по-значително сътрудничество за да се появи 10-минутния филм наречен Гладния/ Ла Faim, разказващ за световния глад и за богатите и бедните страни.

Отне на Фьолдеш и неговите партньори от НРЦ една година и половина за да направят филма и през 1974 г. той стана първата компютърна анимация, която бе номинирана за "Оскар". Тя получи други отличия, включително наградата на журито на филмовия фестивал в Кан и на други международни филмови награди.

През 1996 г., Burtnyk и Уейн получиха "Оскар" за техническо постижение за положените от тях основи на технологията за създаване на нов тип изкуство, а именно компютърната анимация.

Метаданните филм

Скелет Интерактивни техники за подобряване на Предложение Динамика в Кий Рамка анимация от Нестор Burtnyk и Marceli Уейн в съобщенията на ACM, октомври 1976 г., том 19 # 10, п. 564-569

Гладът Part1 

Гладът Part2

Гладът Part3

В началото на 70-те години имаше увеличение на финансирането за фундаменталните научни изследвания в областта на компютърната графика и интерактивните процеси. В резултат на това, университетите по целия свят, установиха изследователски програми за справяне с много от тези нови проекти.

В следващия брой: Университетските изследователски дейности нарастват бързо.