Grafica 3D

Istoric

Anii '60

In august 1957 la Maynard Massachusetts a luat fiinta Digital Equipment Corporation (DEC) . Cei numai trei angajati aveau la dispozitie 8.500 mp. de spatiu de productie intr-o fosta fabrica de lana. In noembrie 1960 aveau sa lanseze PDP-1 (Programmed Data Processor) primul calculator interactiv de dimensiuni mici din lume. 30 de ani mai tarziu , Digital obtinea venituri de 12.9 miliarde de dolari cu peste 124.000 de angajati in toata lumea. In continuare Digital avea sa joace un rol foarte important in progresul graficii pe calculator.

In 1959 primul calculator destinat graficii, DAC-1 (Design Augumented by Computers) a fost creat de catre General Motors si IBM. Permitea utilizatorului sa introduca descrierea 3D a unui automobil si apoi sa-l roteasca pentru al putea privi din diferite unghiuri. A fost lansat la Joint Computer Conference in Detroit in anul 1964.

Urmatotorul salt in domeniul graficii pe calculator avea sa vina de la un student MIT, Ivan Sutherland. In 1961 Sutherland a creat primul soft pentru desen pe care la numit Sketchpad. Folosind un pen special, Sketchpad permitea desenarea de figuri simple pe monitor pe care apoi le putea salva si incarca in memoria calculatorului. Pixul special era dotat cu o mica celula fotoelectrica in varf. Celula emitea un puls electronic ori de cate ori era indreptat catre monitor si astfel sistemul putea sti exact pozitia pixului in orcie moment.

Sutherland parea sa gaseasca solutie la orice problema de grafica pe care o intampina. Chiar si astazi, multe din standardele graficii au la baza concepte dezvoltate de Ivan.Un exemplu in aceasta directie il constituie constructia unui patrat, .pentru care nu este nevoie sa desenam patru laturi perfecte ci putem specifica pozitia si marimea figurii iar pe baza acestor informatii soft-ul deseneaza un patrat perfect.

Un alt exemplu ar fi software-ul de modelat obiecte dezvoltat tot de Sutherland. Cu acest soft se putea , in cazul unui model de masina, schimba marimea rotilor fara a afecta restul masinii.

Primele programe grafice erau bazate pe sistemul Vector, compus din linii subtiri, pe cand programele actuale sunt bazate pe sistemul Raster compus din pixeli. Diferenta dintre aceste doua sisiteme poate fi foarte bine ilustrata prin urmatoarea analogie.

Un naufragiat creaza pe nisip un semn SOS prin aranjarea unor pietre in forma literelor "SOS". El mai are la dispozitie si o sfoara colorata cu care aranjeaza un al doi-lea semn SOS. Primul semn SOS este simmilar sistemului Raster ; fiecare pixel este considerat individual. Al doi-lea SOS este similar sistemului Vector; calculatorul pur si simplu traseaza o linie continua intre doua puncte. Dezavantajul acestui sistem este acela ca nu poate reprezenta imagini continue si este limitat la un numar mic de culori.Sistemul Raster pe de alta parte poate reprezenta imagini continue si o gama de culori practic infinita.

E.E. Zajac, un om de stiinta de la Bell Telephone Laboratory (BTL), creaza in 1963 filmul numit " Simularea satelitilor giro-gravitationali".In acest film generat pe calculator, Zajac demonstra cum poate fi modificat comportamentul satelitilor care orbitau in jurul pamantului. El a creat o animatie pe un calculator IBM 7097.

Nu a trcut mult timp pana marile corporatii si-au dezvoltat interesul in domeniul graficii pe calculator. TRW, Lockheed-Georgia, General Electric si Sperry Rand sunt printre multele companii care la mijlocul anilor '60 au intrat in acest domeniu. IBM nu a intarziat si a lansat IBM 2250 care a fost primul calculator comercial destinat graficii.

Ralph Baer, inginer la Sanders Associates, a dezvoltat un joc video in 1966 numit Odyssey. Avea sa fie primul produs de grafica pe calculator.

Dave Evans directorul de inginerie la Bendix Corporation a fost recrutat in 1968 de catre Universitatea din Utah, pentru a pune la punct un program stiintific in domeniul graficii computerizate. Acest nou departament avea sa devina principalul centru de cercetare in domeniul graficii.

In 1969 Sutherland este recrutat de Evans si se alatura programului de la Universitatea din Utah. Acolo isi perfectioneaza tehnicile in domeniu, pentru ca 20 de ani mai tarziu NASA sa foloseasca aceste tehnici in domeniul realitatii virtuale.La Utah Sutherland si Evans erau foarte apreciati insa le lipseau hard-ul necesar dezvotarii conceptelor avansate de grafica. Astfel s-au hotarat sa infiinteze o companie proprie

Ed Catmull un student de la Utah s-a inscris la cursul lui Sutherland in 1970; tocmai venise de la compania Boeing si lucra la doctoratul in fizica. Copilarind cu desenele Disney, Catmull adora animatia insa si-a dat repede seama ca nu are talent la desen. Catmull a vazut in grafica pe calculator o cale de a dezvolta animatii. Astfel prima animatie pe calculator a fost creatia lui . Acum visul era de a realiza un film integral pe calculator. In aceiasi clasa Fred Parkes a creat o animatie care reprezenta figura sotiei lui.

Pe masura ce Universitatea din Utah atragea din ce in ce mai mai multi oameni, John Warnock a unul dintre pionierii in domeniu avea sa fondeze Adobe Systems.

Jim Clark conducea laboratorul de procesat imagini de la UU pentru ca mai tarziu sa infiinteze compania Silicon Graphics Inc.

Prima mare inovatie in domeniul 3D a fost algoritmul "suprafetelor ascunse" dezvoltat tocmai de acesti pionieri de la UU. Pentru a putea reprezenta un obiect 3D pe monitor, calculatorul trebuie sa determine care suprafete sunt in spatele obiectului, din perspectiva celui care le priveste, si asfel sa ascunda acele suprafete cand calculatorul genereaza sau randeaza imaginea respectiva.

Anii '70

Anii '70 au cunoscut introducerea graficii pe calculator in domeniul televiziunii. Computer Image Corpoation (CIC) dezvolta sisteme complexe hardware si software cum ar fi Animac, Scanimate si Cesar. Toate aceste sisteme functionau prin scanarea desenelor deja existente si transformarea lor in diferite . Bell Telephone si CBS Sports au fost printre primii care au inceput sa foloseasca aceste sisteme.

Unul dintre cele mai importante progrese in domeniu s-a facut in 1971 cand a aparut microprocesorul. Unul dintre primele PC-uri create a fost Altair 8800 de la Micro Instrumentation Telemetry Systems. Costa doar 400$.

In acelasi an, Nolan Kay Bushnell impreuna cu cativa prieteni a fondat Atari. Mai tarziu va crea jocul Pong .

In anii '70 au fost fondate un numar mare de studiouri de animatie. In Culver City, Callifornia, Informational International Incorporated, a format un departament de filme generate pe calculator.In San Rafael, California, George Lucas fondeaza Lucasfilm.

In Los Angeles, au luat fiinta Robert Abel & Associates si Digital Effects

Anii '80

La inceptul anilor '80 SIGGRAPH isi incepea ascensiunea.'SIGGRAPH era o organizatie foarte buna.Avea norocul de a lucra cu oamenii potriviti pentru proiectul potrivit la momentul potrivit.Astfel a devenit una dintre cele mai bune organizatii.' dupa cum spune Catmull.

La conferinta SIGGRAPH din1980 a fost prezentat un film uimitor intitulat 'Vol Libre'.Filmul continea un zbor la viteza foarte mare printre stancile abrupte ale unui munte fractal. Programatorul Loren Carpenter de la Compania Aeriana Boeing din Seattle,Washington, a studiat programul "Mandelbrot" si apoi l-a modificat pentru a simula muntii fractal cat mai real posibil.

Carpenter lucra la Compania Boeing din 1966 si era absolvent al Universitatii din Washington.Avand acces la biblioteca universitatii a urmarit aparitia de date noi in ceea ce priveste grafica pe calulator.A reusit sa devina membrul unui grup,din cadrul companiei,care lucra la un sistem de desen cu ajutorul calculatorului.Astfel a avut acces la echipamentul necesar graficii pe calculator.

La sfarsitul anilor '70 Carpenter crea modele de avioane 3D si isi dorea sa realizeze pentru aceste avioane si un decor.Intre timp a fost lansat filmul "Razboiul stelelor" .Fiind un fan al imaginatiei,Carpenter visa sa creeze peisaje extratereste si astfel prin 1979 isi formase o idee cu privire la modalitatile de realizare a terenurilor fractal in animatie.

In timpul unei calatorii de afaceri in Ohio in 1979,Carpenter a aflat de instalarea unui laborator la LucasFilm in care erau implicate mai multe persoane din domeniul graficii pe calculator printre care si Ed Catmull.Carpenter este interesat dar nu trimite imediat proiectul sau deoarece lucra inca la realizarea filmului cu muntii fractal. "La momentul respectiv primeau destule proiecte.Eu vroiam sa demonstrez ca aceste imagini fractal nu numai ca arata foarte bine,dar sunt foarte usor animate.Dupa ce am rezolvat problemele tehnice,am facut filmul,am scris o lucrare prin care il descriam si am facut o multime de imagini fixe.Eram membru al echipei de la SIGGRAPH in 1980 iar cand filmul meu a fost prezentat,cei de la LucasFilm erau in public." Mai tarziu,in 1981 Carpenter scria primul program de randerizare la LucasFilm,program numit REYES (Renders Everything You Ever Saw).REYES se va transforma in programul Renderman iar Carpenter lucreaza si astazi la Pixar.

Turner Whitted a publicat in 1980 o lucrare despre o noua metoda de randerizare pentru simularea suprafetelor reflectante .Cunoscut astazi sub numele de "Ray Tracing",

programul realizeaza urmarirea unei raze de lumina,incepad din perspectiva spectatorului si intrand apoi in scena 3D.Daca unul din obiecte este reflectant,calculatorul urmareste raza in timp ce pleaca de la obiectul respectiv si loveste un altul.Acest proces continua pana ce raza intalneste un obiect opac sau iese din scena.Realismul obtinut prin aceasta tehnica este spectacular.

In 1980 ,Steven Lisberger,animator si Donald Kushner au decis sa faca un film despre o lume fantastica din interiorul unui joc pe calculator.

Ideea lor fost agreata de Tom Wilhite,director de productie la Compania Disney.Si astfel a luat nastere filmul intitulat"Tron" despre calatoria incredibila unui om in interiorul unui caculator.Au fost folosite cam 30 de minute de film realizat pe calculator.Secventele realizate in acest mod au fost reusite dar filmul ca intreg a fost, din nefericire, un esec.Compania Disney a pierdut 20 milioane de dolari.Aceasta pierdere a creat o imagine negativa asupra graficii pe calculator,incat la Hollywood,mai multe companii care foloseau aceasta tehnica,au renuntat la ea.

Un moment important in evolutia graficii pe calculator a fost infiintarea Companiei Silicon Grafics Inc. (SGI) de catre Jim Clarke in 1982.SGI isi concentra toate resursele pentru a crea cel mai fidel sistem de grafica pe calculator.Anul urmator,1983, SGI lanseaza primul lor sistem-IRIS 1000.

La conferinta SIGGRAPH din 1982,Tom Brigham,programator si animator la NYIT,a uimit auditoriul cu o succesiune de secvente video care aratau o femeie transformandu-se in formele unui linx.Astfel a luat nastere o noua tehnica numita "Metamorfoza" ("Morphing") care era destinata sa devina o unealta necesara oricui lucra cu grafica pe calculator sau cu efecte speciale in industria filmului sau cinematografica.Totusi,in ciuda efectul pe care l-a avut asupra spectatorilor,nimeni nu a dat atentie acestei tehnici,pana in1987 cand LucasFilm o foloseste pentru filmul "Willow" in care o vrajitoare se trasforma intr-o serie de animale pentru ca apoi sa ia forma finala de om.

Jaron Lanier, lucrand ca programator pentru Compania Atari, a produs, in 1983, sistemul DataGlove - o manusa care fiind conectata la calculator, detecteaza si transmite acestuia orice miscare a mainii.Calculatorul analizeaza datele si astfel permite manipularea obiectelor in spatiul 3D. Larnier a plecat in acelasi an de la Atari si impreuna cu Jean-Jacques Grimaud a infiintat in 1985 compania VPL Research, care va dezvolta si comercializa primele roduse de realitate virtuala.

In 1984, in Santa Barbara, California s-a format o noua companie, Wavefront, care a introdus pe piata, pentru prima data, sisteme 3D ce pot fi folosite in afara hard-ului pe care au fost create. Inainte de Wavefront, toate studiourile care foloseau grafica pe calcuator trebuiau sa-si scrie singure programele pentru generarea de animatie 3D.

De asemenea, in acelasi an, a fost creata compania Thomson Digital Image (TDI) care a lansat sistemul sau de animatie 3D in 1986.

Pana in acest moment, toate metodele de sinteteizare a imaginilor se bazau pe lumina de incidenta, sursa de lumina fiind situata direct pe o anumita suprafata.Totusi, marea majoritate a luminii pe care o vedem in lumea reala este difuzata sau reflectata de pe o suprafata. Intr-o camera, un bec cu halogen lumineaza tavanul cu lumina incidenta,

iar tavanul reflecta lumina difuza in restul camerei. Pentru a crea o imagine 3D a camerei poate fi instalata la nivelul becului o sursa de lumina care va lumina direct tavanul. Insa restul camerei va aparea intunecata deoarece programul este bazat pe lumina incidenta, directa si nu va fi reflectata si in restul camerei.Pentru a rezolva aceasta problema era necesara o noua metoda de randerizae si astfel in 1984 Cindy Goral, Don Greenberg de la Universitatea Cornell au publicat o lucrare intitulata "Modelarea luminii interactionale dintre suprafete difuze."

Lucrarea descria o metoda care foloseste aceeasi formula prin care este simulata dispersarea caldurii intr-o camera.Prin determinarea schimbului de energie intre doua suprafete, se pot obtine rezultate foarte reale.

In 1988 este creat Renderman, un program standard pentru descrierea scenelor 3D. Programul descrie tot ceea ce este necesar calculatorului inainte de a randeriza secventele 3D, precum obiecte, surse de lumina, camere de filmat, efecte atmosferice si asa mai departe. Odata ce o scena e convertita intr-un dosar pentru Renderman, va putea fi randerizata prin orice sistem. Aceast program a oferit numeroase posibilitati pentru dezvoltarea software-ului de grafica 3D.

O parte importanta a Renderman foloseste 'shaders' sau mici bucatele de program pentru descrierea suprafetelor, luminilor, fenomenelor atmosferice. In cazul suprafetelor shader-ul este un program mai mic ce genereaza texturi bazate pe formule matematice. Aceste texturi algoritmice sunt numite, de asemenea, texturi spatiale deoarece aceste texturi nu numai ca sunt generate pe calculator, dar sunt generate in spatiu 3D.

Specialistii CGI de la ILM au devenit atat de eficienti incat sistemul CGI a crescut si s-a dezvoltat pana cand grupul CGI a devenit ILM, nu un departament major,ci pur si simlu ILM. Acesa metamorfoza este privita ca cea mai spectaculara dezvoltare in istoria graficii pe calculator.

Grupul de animatie Pixar a intrat in istorie in 29 martie 1989 cand a castigat un Oscar pentru "Toy Story". Filmul a fost creat in intregime cu grafica 3D generata pe calculator, folosind programul Rendeman.

In 1989 a fost lansat filmul "Abisul",o aventura subacvatica regizata de James Cameron. Acest film a avut un impact direct asupra utilizarii sistemului CGI in producera filmelor.

Anii '90

Compania NewTek a lansat in octombrie 1990 programul Video Toaster, care datorita utilitatilor de editare foarte practice a devenit foarte popular si astazi este folosit pe scara larga in televiziune la realizarea efectelor speciale precum cele din serialele "Sea Quest" si "Babylon 5"

De asemenea, in 1990, AutoDesk au realizat 3D StudioDesk, primul lor produs de animatie 3D. Sistemul StudioDesk a ajuns pe lucul intai in ceea ce priveste soft-ul de animatie 3D pentru PC.

Disney si Pixar au anuntat in1991 colaborerea prentru reealizarea filmului "Toy Story", primul film de lunga durata animat pe calculator.

In 1992 a fost lansat fimul "Terminator 2" si odata cu acesta s-a impus un nou standard pentru efectele speciale generate pe calculator. In acelasi an a fost lansat si "Frumoasa si Bestia", un alt film de succes la realizarea caruia care CGI a avut un rol important.

Impactul acestor doua filme asupra industriei cinematografice de la Hollywood din 1991 a fost impresionant. Ed Catmull: "Anuntul companiei Disney despre colaborarea cu noi pentru realizarea unui film de lunga durata generat pe calculator, precum si faptul ca "Terminator 2" si "Frumoasa si Bestia" au fost succese financiare extaorinare, au indreptat atentia realizatorilor de film spre aceata tehnica. Acesta a fost un moment crucial in acceptarea si dezvoltarea coneptului de grafica si animatie pe calculator."

La inceputul anului 1993, IBM, James Cameron (scenarist/ regizor/producator ),Stan Winston (expert in efecte speciale) si Scott Ross (executor al efectelor vizuale la ILM) si-au unit fortele si au creat un studiou pentru producerea de efectelor vizuale si digitale, studiou numit Digital Domain. Au urmat cei de la ILM care au anuntat in aprilie formarea unui laborator media in colaborare cu Silicon Graphics Inc. prin intermediul caruia ILM va avea parte de cel mai noua si perfectionata tehnologie de hardware, iar SGI va putea folosi ILM pentru testari.

PDI au deschis si ei Digital Opticals Group in Hollywood unde creaza efecte speciale pentru filme precum "Intoarcerea lui Batman".Acum PDI a devenit un leader in domeniul "curateinei" digitale ca de exemplu eliminarea firelor vizibile pe pelicula. De multe ori sunt folosite fire pentru realizarea efectelor speciale de genul celor in care oamenii zboara sau sar la distante mari in aer, si de multe ori apar greseli pe bucati de film care nu pot fi inlocuite. Pentru a repara aceste greseli PDI foloseste programe care copiaza automat pixeli din fundal peste pixelii ce reprezinta firele.Asa s-a procedat in unele scene din "Terminator 2". In acelasi film, o alta scena, in care un camion se prabusea intr-un perete, a fost filmata din unghiul gresit , iar regizorul pentru a pastra continuitatea cu restul scenelor a vrut sa intoarca pelicula de la stanga la dreapta.In mod normal aceasta operatiune nu ridica probleme, insa exact in acel moment apare in film un semn de circulatie iar prin parprizul masinii era vizibil soferul. Pentru a rezolza aceste probleme PDI a intors pelicula, apoi a taiat semnul de circulatie din pelicula neintoarsa si l-a pus peste semnul intors.La fel a procedat si cu soferul pe care l-a copiat de pe partea stanga a camionului pe cea dreapta. La final, in secventele respective nu a putut fi detectata nici o gresala.

PDI a intevenit si in unele aspecte din filmul "Babe", un documentar despre legendarul jucator de baseball Babe Ruth. Producatorii au fost pusi in fata mai multor dificultati, ca de exemplu faptul ca actorul principal, John Goodman este dreptaci in timp ce Babe a fost stangaci. Deci multe scene in care John trebuia sa arunce mingia au necesitat o prelucrare speciala.In acest caz PDI a folosit procesarea digitala a imaginilor.Asemenea programe de retusare au devenit folosit in studiourile cinematografice din anii '80 si '90.

La realizarea filmului "Jurasik Park", Steven Spilberg a ales, initial, metoda clasica pentru efectele speciale, angajandu-i pe Stan Winston pentru a crea modele de dinozauri in marime naturala, si pe Phil Tippet, expert in animatia cadru cu cadru.In acelasi timp insa animatorii de la IML au inceput sa experimenteze si impreuna cu Tippet au elaborat sistemul DID (Dinosaur Imput Device).Acesta reprezenta un model articulat de dinozaur cu senzori de miscare atasati de membre.In timp ce animatorii clasici mutau modelul, miscarile sale erau transmise calculatorului si inregistrate. Rezultatele au fost revizuite ulterior de catre animatorii de la IML iar in final totul a iesit perfect.

Vara anului 1994 a fost dominata de filme de succes, toate folosind grafica generata pe calculator. Unele efecte pareau atat de reale incat rolul calculatorului nu a putut fi perceput. De exemplu in filmul "Forest Gump", ILM a realizat o scena in care prin suprapunerea unor imagini, Tom Hanks apare in aceeasi secventa cu John F. Kennedy. De asemenea au folosit tehnici standard de editare a imaginilor pentru a "taia" picioarele unui actor care juca rolul unui soldat ranit. Actorul a purtat sosete albastre pana la genunchi.Apoi, dupa ce filmul a fost scanat in calculator, animatorii au copiat portiuni din fundal peste sosetele albastre, in fiecare cadru.Si astfel cand Tom Hanks ridica actorul de pe pat impresia dorita este foate reala.

Un alt proiect important pentru ILM a fost filmul "Masca" in care artistii de la ILM au dat frau liber imaginatiei pentru producerea personalitatilor nebunesti si extravgante ale Mastii. Majoritatea scenelor din film au fost relizate folosind grafica 3D. Intr-una din scene i-au inlaturat capul si l-au inlocuit cu capul unui lup generat pe calculator.

Daca ne gandim la calitatea si realismul dobandite in ziua de azi cu ajutorul grafici generate pe calculator, este greu de imaginat ca acest domeniu nici nu a exitat acum 30 de ani. Si totusi si in prezent conferintele si expozitiile SIGGRAPH continua sa uimeasca comunitatea animatiei 3D cu noi tehnici.