Пиксель. История одной точки - Элви Рэй Смит

Все решения принимались согласованно и коллегиально, а публикации и академическая слава заботили нас даже больше, чем зарплата или должность. Как и на университетской кафедре, никто не хотел быть заведующим, поэтому эту неблагодарную обязанность взял на себя Эд Катмулл. Сотрудники не получали указаний от руководства, хотя Эд время от времени ставил перед нами задачи. Как правило, каждый просто выяснял, какие проблемы наиболее актуальны, и самостоятельно искал пути их решения. Но все знали, что лаборатория — это подарок судьбы, хорошо финансируемый исследовательский рай, а потому все работали с максимально возможным усердием. Каждый день в этом райском саду распускались цветы новых открытий! Мы давали имена всем новым растениям и животным и собирали все низко висящие плоды.

Деликатный стиль управления Эда идеально подходил для небольшой группы самодостаточных интеллектуалов. Но с годами мы мало-помалу начали понимать, что он обладает талантом настоящего руководителя и предпринимателя. Он создал в лаборатории отдел аппаратной разработки и организовал небольшую группу, занимавшуюся цифровым звуком. Без управленческих талантов Эда ничего подобного точно бы не появилось. Он использовал свои связи в Университете Юты, время от времени привлекая в лабораторию новых людей, по крайней мере на лето. Лэнс Уильямс и Гарланд Стерн как раз были первыми из этих временных летних гостей в 1975 и 1976 годах. Многие, как Лэнс и Гарланд, задержались надолго, став постоянными сотрудниками.

Аспирант Университета Юты Джим Блинн был из тех, кто не задержался. Он присоединился к нам тем же летом 1976 года. Он, высокий и неуклюжий длинноволосый мужчина (таким остается и до сих пор), постоянно носил свитер особого зеленого цвета, который связала его мать. Он, настоящая звезда в сфере технологий, притворялся угрюмым и суровым, но тем самым лишь маскировал широту души и специфическое чувство юмора.

Прежде чем покинуть нас, Блинн сделал анимацию трехмерного сливочника (из знаменитого чайного сервиза Мартина Ньюэлла) с наложением текстуры и трехмерного «человечка», который бегал по кругу, с реалистичным затенением относительно фиксированного точечного источника света. Разрываясь между Университетом Юты и нашей лабораторией, он также экспериментировал с новой техникой затенения, которая называлась рельефная карта. Ее стоит обсудить подробнее, потому что она, как и наложение текстур, подразумевает потрясающее сочетание выборки и геометрии в Цифровом Свете. В обоих случаях пиксели становятся частью модели геометрического объекта из пространства Творчества. То есть в обоих случаях они совершают прыжок из пространства Отображения в пространство Творчества.

Как и при наложении текстур, от одного изображения зависит внешний вид другого. То есть один массив визуализированных отсчетов управляет видом геометрической поверхности, когда она визуализируется в другой массив. В данном случае управляющее изображение влияет на видимую форму поверхности. На рисунке 7.30 показано, как с помощью рельефной карты оранжевая сфера превращается в апельсин. На самом деле это лишь видимость, потому что геометрия объекта никак не меняется. Посмотрите на контуры «апельсина» и обратите внимание на ровный силуэт, совсем без бугорков. Перед вами еще один голливудский трюк с ложным фасадом. Он прекрасно работает, если видимые неровности малы по сравнению с общей геометрией. Разве вы бы заметили безупречный силуэт, если бы я не указал на него?

Рельефная карта продвигает методы затенения вперед на два порядка по закону Мура. Она доводит понятие множественных флагштоков (помните, как я рисовал их на треугольнике?) до предела. Пиксели контрольного изображения (показанного на рисунке 7.30 в центре) меняют направление воображаемого флагштока на геометрическом элементе для каждого пикселя при окончательном рендеринге сферы. В простейшем случае плоского затенения один флагшток ставится в центре каждого треугольника. Затем Гуро предложил разместить флагштоки под наклоном в углах каждого треугольника. Они определяли «поверхность затенения», которую вы можете представить парящей над треугольником. По мере того как каждый пиксель визуализируется на дисплее, значение для его правильного затенения берется из соответствующего места на этой воображаемой поверхности.

Рельефная карта увеличивает количество флагштоков. Теперь они располагаются не в некоторых точках по углам треугольника, а по одному в каждой точке. Каждый пиксель рельефной карты может иметь разное значение угла к направлению источника света. Используя классическую реконструкцию согласно теореме Котельникова (разбрасывайте и складывайте каждый отсчет), поверхность вершин флагштоков генерируется на основании карты рельефа, чтобы создавать настолько сложные поверхности, парящие над треугольниками, насколько вам нужно. Вы не можете увидеть саму парящую поверхность, но вы можете увидеть различные неровности — то самое воздействие, которое она оказывает на затенение.

Не вдаваясь в тригонометрические подробности, достаточно сказать, что из-за манипуляций с точками на поверхности мы видим на ней неровности, которых там на самом деле нет — в том смысле, что они не содержатся в геометрической модели поверхности.

Блинн начал разрабатывать свою идею в 1976 году в Юте и продолжил во время рождественского визита в нашу лабораторию, но довел ее до совершенства только к 1978 году, когда выступил с докладом о ней на Siggraph, ежегодной конференции по компьютерной графике. Тем временем в Университете Юты эта идея стала частью его докторской диссертации. На рисунке 7.31 показаны его анимируемые сферы с рельефным изображением (с силуэтами без выступов) в порядке растрового сканирования (1977).

В итоге Блинн выбрал работу в Лаборатории реактивного движения в Пасадене. Там он расцвел и прославился, создавая фильмы о полетах космического корабля «Вояджер». Каждый из них имитировал прохождение «Вояджера» мимо одной из планет, например Юпитера. Для текстурных карт Блинн использовал фотографии планет, полученные Лабораторией реактивного движения непосредственно с «Вояджера». Этой работой Блинн занимался на долгие годы, благодаря чему Лаборатория реактивного движения попала на карту важнейших мест в истории компьютерной графики.

Рис. 7.30

В 1977 году Эд привез с собой на Лонг-Айленд еще двух коллег из Юты. Официально ни Эфраим Коэн, ни Дуэйн Палика не учились в Университете Юты, но они продемонстрировали, что могут быть нам полезны, поэтому Эд взял их на работу в нашу лабораторию. Оба были художниками и программистами.

Художника Эфраима я уже упоминал в предыдущей главе. Он работал с Роном Беккером над анимационной программой Genesys на TX-2 в Массачусетском технологическом институте. Как художник, он восхищал нас проницательными карикатурами, такими как приведенная в начале подглавы карикатура на сотрудников лаборатории, датированная примерно 1977 годом (рис. 7.25). Он принес нашей лаборатории множество программ для работы с пикселями, в том числе еще одну программу для рисования. Спустя годы после работы в Нью-Йоркском технологическом институте его самым заметным вкладом в Цифровой Свет — настоящим храмом — станет многоэтажный фасад здания NASDAQ на Манхэттене,