галерея наших читателей полезные программы выставки архив новостей | архив журнала 625 конференции на 625-net видео карты | звуковые карты | накопители | цифровые фотоаппараты | проекторы | манипуляторы | разное видео | звук | компьютерная графика | cd/dvd новости | анонсы | хроника сервера Карта сервера Помощь Вверх На главную страницу
625-net home page
 

: архив : архив журнала "625" : 1993 : #4

Компьютерная графика в искусстве, кино и телевидении
Визуальные спецэффекты в цифровом кино и телевидении

Владимир Лещинский
Сергей Денисов
Компания Render Club

Компьютерная анимация, не так давно являвшаяся привилегией лишь больших производящих компаний с достаточными ресурсами и суперкомпьютерами, находящимися в их распоряжении, теперь доступна почти каждому, благодаря успехам в развитии персональных и мини-компьютеров и соответствующих приложений. Более того, быстрота развития этой области в нашей стране не оставляет сомнений в необходимости high-top технологии для российского рынка сейчас, а не в далеком будущем. Кстати сказать, некоторые наши фирмы уже обладают довольно сильной технической базой на уровне мировых стандартов, чего нет даже у некоторых развивающихся стран.

Именно этот факт и побудил нас включить в поле зрения журнала "625" компьютерную анимацию в самом современном ее состоянии - цифровая обработка визуальной информации высокого разрешения - и написать серию статей о положении дел в этой области. Мы надеемся, что эти статьи вызовут интерес у самой широкой читательской аудитории.

Исторический экскурс: Рождение компьютерной анимации.

Первые робкие попытки использования компьютеров в искусстве относятся к 60-м годам, когда художники Запада попытались соединить искусство и технологию. Первопроходцами в этой области были ученые и инженеры, а их произведения своими линиями и дырявыми узорами напоминали скорее чертежи и перфокарты, чем произведения искусства. И только значительно позже, уже в 70-х, с приходом художников и совершенствованием самих компьютеров компьютерное искусство получило достаточное развитие и выделилось в отдельную и весьма привлекательную область компьютерной визуализации.

Начало развитию компьютерной графики и анимации положила первая конференция SIGGRAPH, которая проходила в Америке в 1973 году. Это была скорее не конференция, а встреча небольшой группы энтузиастов компьютерной графики, на которой они обсуждали возможности новой техники и знакомились с работами друг друга. Однако очень быстро конференция переросла из "встречи по интересам" в интереснейшую презентацию и шоу, когда интерес к компьютерной анимации стали проявлять не только программисты и техники, но и художники, дизайнеры, а также крупные компании, производящие компьютеры и программное обеспечение.

Первыми произведениями компьютерной анимации были демонстрационные ролики, созданные компаниями для бизнес-презентаций, научной визуализации или демонстрации технических возможностей машин и алгоритмов. Около семи лет назад произошли существенные изменения среди конкурсантов, представляющих свои работы на SIGGRAPH. Все больше стало появляться произведений, созданных специально для конференции - это были уже самостоятельные фильмы, над производством которых работали целые коллективы авторов в течение нескольких месяцев. С развитием технической базы и приходом в компьютерную анимацию художников изменился и сам стиль работ - привлекали внимание созданные художником образы, а не использованные технические возможности. Художники традиционной мультипликации стали использовать компьютеры в своей работе для создания персонажей, прорисовки фаз, заливки и изготовления фонов. Некоторые из них остались в компьютерной анимации и создали работы, известные во всем мире. Об успехах компьютерной анимации свидетельствует тот факт, что Джон Лассетер (John Lasseter), мультипликатор диснеевской школы, впоследствии пришедший работать в фирму Pixar получил Оскара в 1989 году за созданный им компьютерный фильм "Tin Toy".

Исторический экскурс: техническая концепция

Вопрос приближения компьютерной графики к реальности имеет давнюю историю. Все началось с грубых картинок, созданных на дорогих исследовательских машинах, когда получить вообще любое изображение считалось большой удачей. При этом качество картинки можно было бы сейчас назвать ужасающим - объекты имели ступенчатые границы и выглядели так, как будто были сделаны из пластика. Основная цель всех компьютерных специалистов тогда - заставить изображение выглядеть реалистично

Большинство первых разработчиков были из университета штата Юта, где Dave Evans и Ivan Sutherland начали замечательную программу исследований в области компьютерной графики, которая привлекла в последствии различных специалистов. Первой главной задачей было создание алгоритмов определения видимых частей в сцене, основанных на известных аналитических разработках по удалению невидимых поверхностей. Еще одной важной проблемой было улучшение метода заливки (shading ). Henri Gouraud обнаружил, что можно существенно сократить количество поверхностей объекта с помощью линейной интерполяции значений на вершинах полигонов. Bui Phong продолжил и улучшил этот метод, интерполируя нормали к поверхностям для достижения более плавной заливки объектов и сглаживания бликов. Rob Cook заметил, что основная используемая световая модель подходит только для приближенной визуализации пластика. Он предложил другую модель освещения, которая позволила моделировать другие поверхности, такие как метал.

В начале 80-тых были продолжены более глубокие изыскания в области создания реалистичных изображений. Turner Whitted популяризировал алгоритм трассировки лучей (ray tracing), который стал стандартом для фотореалистичного синтеза изображения.

С этого времени просчет картинки стал занимать довольно много времени, может быть день - и опять были разработаны новые алгоритмы для того, чтобы сделать трассировку лучей более эффективной.

Примерно в это время конференция SIGGRAPH стала играть значительную роль в научной стороне компьютерной графики. Каждый год стало появляться что-то новое: фракталы, растения, одежда, метод излучательности (radiocity) и т.п. Каждый раз кто-нибудь делал новое открытие и демонстрировал его своим коллегам, что заставляло последних удвоить свои усилия в новых изысканиях.

В 1979 году под крышей Компьютерного Отделения студии Lucasfilm, в последствии называемого Pixar, собрались лучшие исследователи в области компьютерной графики. Была предпринята попытка сделать изображение настолько реалистичным, чтобы его можно было использовать в производстве кинопродукции. С этого времени берет свое начало рождение цифрового кино, так как остро встала необходимость создания аппаратуры для ввода кинокадра в компьютер в цифровом виде и вывода после обработки на кинопленку.

За эту проблему взялись такие известные в кинематографическом мире компании, как Management Graphics Inc., Oxberry, Kodak, что в последствие привело к созданию высокоточных filmrecorder-ов и filmscanner-ов. Компания Cyberware создала свой уникальный трехмерный сканер, который позволяет вводить в компьютер информацию об объекте сразу в трех измерениях вместе с текстурой (эта технология была использована потом для таких известных фильмов, как Star Trek IV, The Abyss, Batman Returns, Terminator 2, Death Becomes Her, Jurassic Park).

Работы велись и в области программных решений - выяснили, что различное применение квантования позволяет достичь значительных результатов в улучшении качества изображения. Вместе с тем стало понятно как можно формально описать изображение - это позволило определить интерфейс, который был бы независим от алгоритмов, аппаратуры и скорости выполнения. Pat Hanrahan сложил все, что было известно о геометрии, моделях освещения, трассировке лучей, сглаживании границ (anti-aliasing), глубины резкости, размытии объекта при движении (motion blur) и методах заливки в один компактный интерфейс, получивший название RenderMan.

Интерфейс RenderMan - это своего рода PostScript в 3-х мерной графике. Как PostScript в настольной типографии позволяет представлять страницы текста для принтера, так и RenderMan позволяет описывать трехмерные модели для представления их на просчет. Поистине RenderMan стал результатом больших изысканий в области систем просчета пространственных моделей. В 1981 году Loren Carpenter в компании Lucasfilm написал первую систему просчета пространственных моделей. Он назвал ее REYES, что являлось сокращением от Renders Everything You Ever Saw (Просчитывает все, что Вы когда-либо видели). После применения этой системы в кино Star Trek II, the Wrath of Khan к Лорену присоединились Rob Cook и Ed Catmull для того, чтобы адаптировать систему под изображения с кино-разрешением и создания более натуральных сцен. Их озадачило, что модель с натуральной сценой требует до 80 миллионов полигонов - уровень сложности, уходящий далеко за возможности существующих систем. Это заставило их переосмыслить каждый аспект процесса просчета пространственных моделей.

Другая проблема, вставшая перед исследователями - необходимость избежать цифрового побочного эффекта в производстве изображений. Наибольшие неприятности в картинках доставляли ступенчатые границы объектов (jaggies), которые несли на себе ответственность за стробирование во время анимации. Был необходим алгоритм размытия объекта при движении (motion blur). Дружеское соревнование между разработчиками закончилось открытием стохастического квантования, которое дало путеводную нить для практического решения проблем ступенчатости границ, размытия при движении, глубины резкости и многих других эффектов.

Стало ясно, что процедурное генерирование изображения, содержащего 80 миллионов полигонов, в разумное время, потребует аппаратуры специального назначения. Tom Porter, Adam Levinthal и Jeff Mock разработали большую машину, названную REYES machine, для просчета изображений этого типа. Интерфейсом формального описания пространственной модели для этой машины стал RenderMan. Впоследствии разработчики Pixar начали совместный проект с фирмой Silicon Graphics Inc. для достижения максимальной производительности трехмерной графической библиотеки процедур как для интерактивной графики, так и для высококачественного просчета пространственных моделей. Направлением исследований было создание интерфейса для графической рабочей станции, способной поддерживать графические процессы в реальном времени.

Конечно целью всех этих исследований было не только создание фотореалистичных картинок, а в том числе и разработка средств и систем, которые позволили бы миллионам людей создавать картины своего воображения.

Больше всех в этом преуспела образованная в 1982 году фирма Silicon Graphics Inc. Ее создатель Джеймс Кларк (James Clark), проанализировал работу таких фирм как Apollo и SUN и, найдя свою идею Геометрической машины более перспективной, основал компанию, целью которой (с успехом достигнутой) была разработка и производство компьютеров принципиально для работы с трехмерной компьютерной графикой. В конце 80-х фирма стала лидером на рынке визуальных вычислений, а все крупнейшие кино и телестудии имели в арсенале компьютеры Silicon Graphics.

Сейчас практически вся компьютерная анимация, которую можно увидеть на телеэкране и в кино, делается на машинах этой фирмы. "Назад в будущее", "Терминатор-2", "Смерть ей к лицу", "Парк юрского периода", клип "Черное и белое" Майкла Джексона, все последние клипы Питера Габриэля - все это результаты применения компьютеров Silicon Graphics. Спектр моделей станций для компьютерной графики простирается от небольших, размером с персональный компьютер, Iris Indigo до больших и мощных машин Power Series. Полгода назад фирма анонсировала новые модели машин: Indy - удобную для мультимедийного приложения, Onyx - мощную четырехпроцессорную рабочую станцию с графической платой Reality Engine2, позволяющей просчитывать сложные текстурированные модели в реальном времени, Challenge - мощнейший сервер и просчетная машина на тридцати шести процессорах R4400 по 150МГц каждый.

Каждые полгода компания делает шаг вперед, выпуская машины нового поколения, открывая поистине неограниченные возможности для художников. К 1997 году компьютеры Silicon Graphics (по заявлению ее основателя) будут иметь возможность строить в реальном времени реалистичное изображение, по качеству неотличимое от фотографии.

В наших следующих статьях мы расскажем как о новейших достижениях техники в области создания спецэффектов для кино, так и о фильмах, где эти средства были с успехом использованы. И самое главное, как это было сделано!

Чистые Пруды, 1993

 

Rambler's Top100
По вопросам размещения рекламы обращайтесь: reclama@625-net.ru
Вопросы и предложения по содержанию журнала направляйте: web.editor@625-net.ru
Замечания и предложения по работе сервера направляйте: web.master@625-net.ru
Дизайн Андрея Дражникова. © 1996-2001 Издательство «625». Все права защищены.
e-mail: magazine625@mtu-net.ru, тел./факс: (095) 291-7724, 202-9588
Свидетельство о регистрации средства массовой информации Эл № 77-2794
All stars
TopList