CGI a historie 3D grafiky

CGI a historie 3D grafiky

CGI a historie 3D grafiky

28.07.2014
3D a animace
Marek Kotala

CGI (Computer Generated Images) – počítačová grafika, nebo chcete-li 3D – jev, který se do obecného povědomí dostal díky ohromnému rozvoji počítačových her, herních konzolí a především kinematografie. A byl to právě film Stevena Spielberga z roku 1993 – Jurský Park, který jako by otevřel onu záhadnou Pandořinu skříňku a vypustil na světlo světa fenomén 3D grafiky. Ptáme-li se, byl-li Spielberg první,  kdo použil ve filmu počítačovou grafiku, je třeba ihned  a rezolutně říci ne! – historie 3D grafiky se začala psát dávno před Jurským Parkem, dokonce v dobách kdy pan Spielberg začal teprve chodit do školy.

 

Než se ale přeneseme na přelom 50. a 60. let, ze kdy se datují první pokusy s počítačovou grafikou, je si třeba uvědomit, co to vlastně CGI je.

 

Trocha teorie 3D grafiky

Profesionálove nechť laskavě tento odstavec přeskočí, budeme se věnovat fundamentálním principům 3D grafiky. Základem každého 3D počítačově generovaného obrazu je matematicky přesně definovaný objekt, který se skládá buďto s matematicky definovaných křivek, nebo polygonů. Na takto vytvořený (virtuálně vymodelovaný) je následně aplikován povrch, který objektu určuje jeho fyzikální vlastnosti, jako je barva, odrazivost, nebo naopak míra pohlcování světla, struktura, průsvitnost a mnoho dalších veličin. Vše lze specifikovat číselně, či například texturou – textury jsou fotografie reálných předmětů, nebo matematicky generované obrazy, jimiž jsou pak modely potaženy a definují jejich barevnost, či některou jinou výše popsaných vlastností.

 

Stejně tak jako v našem reálném světě je světlo základním faktorem, který určuje barvu a optické vlastnosti všech předmětů, bez něhož bychom jednoduše nic neviděli, zastává i ve světě 3D grafiky světlo ve scéně naprosto stejnou funkci. Při renderování, což je složity matematický proces, kdy počítač pixel po pixelu vypočítává ze síťového modelu potažené texturou výsledná obraz se všemi stíny, nerovnostmi a odlesky, je právě světelný paprsek tím nejdůležitějším, co určuje definitivní vzhled vypočítaného obrazu. Dnes je možné simulovat světelné podmínky též globálně, kdy se napodobuje skutečné chování světla a stínů, nejinak je tomu v případě inverzní kinematiky a dynamických jevů, simulujících fyziku pevných a pružných těles. O tom ovšem tento text nepojednává.

 

První nesmělé krůčky

 

Ale to sme trochu předběhli dobu – vraťme se na počátky historie moderních počítačů, do padesátých let, kdy se ještě o texturách a barvách nikomu ani nesnilo a doslova každá čára na monitorech sálových počítačů byla zázrakem.

 

Je třeba si uvědomit, že se pohybujeme v dobách kdy se u nás začalo teprve experimentovat s televizním vysíláním (první vysílání z Měšťanské besedy se uskutečnilo 1. 5. 1953) a vše, co se techniky týče, bylo pouze „přísně“ analogové na bázi stařičkých elektronek a prvních pokusů s tranzistory, které se začaly průmyslové vyrábět až po roce 1948.

 

Počátkem šedesátých let, konkrétně v přelomovém roce 63, se udála samozřejmě v Americe – ve světě počítačů a grafiky spousta významných kroků, z nichž asi nejzásadnější je vynález pana Douga Englebarta. Tohoto pána jako prvního na světě napadlo, že počítač by  bylo příjemnější ovládat něčím jiným, něž jen klávesnicí, a tak si vymyslel myš, která se ovšem dočkala masovějšího používání až v 80. letech díky firmě Apple. V tomtéž roce byl rovněž představen první CAD systém „DAC-1“ od General Motors, v němž se již jednalo o skutečné 3D zobrazení podobné CAD systémům, které známe dnes. Poslední zajímavostí o níž se v tomto roce zmíním, je vůbec první dochovaný počítačové generovaný film od Edwarda Zajace.

V sledujícím roce představila firma IBM svůj první „stolní“ počítač IBM 360, který pracoval v přísně textovém režimu a kromě obrazovky a klávesnice se skládal z mnoha desítek kilogramů těžké bedny, která na obrázku ani není celá vidět. Pro zajímavost: v témže roce firma Philips uvádí na trh kazetový přehrávač. V 68. roce, kdy k nám zavítala Rudá armáda, vzniká firma Intel a o rok později Xerox vyvíjí první graficky přijatelnější interface pro ovládání počítače (podobající se již systému Windows), který plně představuje o čtyři roky později na osobním počítači Alto za 32.000 dolarů. Na tomto počítači také běhala jedna z prvních her od Atari, slavný Pong – „tenis“ představovaný dvěma čárami a čtverečkem.

 

Raketový start, který nemá obdoby

Asi největším technologickým převratem v lidské historii je (od objevení kola) vynález mikroprocesoru – malé křemíkové destičky, která dokáže zvládnout miliony operací za vteřinu a nahradit tak velké a pomalé tranzistory. V roce 1974 představuje firma Intel svůj první 8-bitový procesor Intel 8080, a definitivně tak určuje další běh dvacátého století – start a vývoj tak rychlý, že nemá v celé lidské historii obdoby.

 

Již za jediný rok klesá díky mikroprocesoru výrobní cena počítačů tak, že nástupce počítače Alto – Altaje 8800 – založený na Intel 8080, taktovaném na celém 2 MHz a s operační pamětí 256 Bytů – stojí již pouze okolo 500 dolarů. A první počítač Apple – Apple I ještě v dřevěné bedýnce stojí jen o sto dolarů více.

 

V témže roce (1975), kdy založil Bill Mates malou firmičku Microsoft, začínající vyvíjet operační systém MS-DOS, vytváří Marin Newell první CGI obraz „Čajová konvice“, která se stává i jakýmsi sybolem CGI grafiky (například v 3ds max je konvice – vedle krychle a koule – jedním ze základních objektů).

 

V roce 1977 představuje firma JVC nový systém videa VHS, který se stal navzdory horším technickým parametrům nežli Beta od SONY standardem pro domácí video prakticky až do dnešních dnů. Ve stejném roce používá Georgie Lucas ve svém filmu Hvězdné války počítačové generovanou animaci pro briefing před útokem na Hvězdu smrti – zatím se jedná pouze o jednoduché vektory bez textur.

 

V sedmdesátém osmém roce představuje Blinn první algoritmus, který definitivně zbavuje 3D modely jejich nepřirozené lesklosti a vyumělkovanosti – jedná se o bumb mapping. Díky této inovaci je možné na modely vytvořené ve 3D aplikovat kromě barevné textury i texturu, která určuje hrubost povrchu. O rok později začíná firma Atari s komerční výrobou prvních osobních 8-bitových počítačů.

 

V roce 1980 vyvíjí pan Turner Whitted v laboratořích Bell první algoritmus na raytracing – jedná se o zdokonalený způsob renderování, kdy je „sledován“ přesný průnik světelného paprsku objekty a jeho odrazy. Výsledkem jsou věrné simulace lomů světla, které prochází vodou, sklem nebo jakýmkoli jiným objektem. V témže roce firma Disney uvádí do kin první celovečerní film Tron, kde se již ve velké míře používá kombinace 3D grafiky s reálnými herci. Tento film Stevena Lisbergera, ač se honosí prvenstvím ve svém oboru, propadl a dnes je již téměř zapomenut. Posledním hitem roku 1980, přenosný kazetový přehrávač, který uvádí firma SONY na trh pod názvem Walkman.

 

O rok později představuje IBM první počítač na bázi s 16-bitovým procesorem 8088 a firma Sony získává prvenství ve světě profesionální techniky výrobkem BETACAM, který se až do dnešních dnů stává standardem profesionálního televizního nosiče.

 

V roce 1982 jsou založeny dvě firmy, které boudou mít v budoucnu rozhodující vliv na to, jakým směrem se bude počítačová grafika ubírat. První firmou je Silicon Graphics – tvůrce profesionálních grafických stanic postavených na platformě UNIX (pod názvem IRIX). Tou druhou je Autodesk s produktem  AutoCAD, která naopak vsadila na vyvíjející se platformu PC. SONY se s firmou Philips domlouvá na standardu pro digitální hudební nosič a roku 1983 se na trhu objevuje první CD přehrávač.

 

Rok 1984 je obdobím prvních reklam ve 3D, jimž vévodí Robert Able a jeho Sexy robot. I firma Lucasfilm sází na rozvíjející se fenomén 3D grafiky a produkuje svůj první krátký animovaný film Příběh Andre a Wallyho (tento, ale i ostatní krátké filmy – s výjimkou posledního Odvarového díla For the Burda – týmu PIXAR se nalézají na stránkách www.pixar.com).

 

Další rok se přehoupl, firma Commodore představuje první osobní počítač z řady Amiga a standard pro počítačový CD-ROM je ustaven na ISO-9660. V osmdesátém šestém roce je na Oscara nominován první CGI film – nejedná se o nic jiného než o projekt z dílny PIXAR s názvem Luxo junior – krátký příběh o dvou stolních lampách, který si firma později zvolila za své logo.

 

O rok později představuje Microsoft první operační systém Windows 2.0 a pomalu, ale jistě získává své výsadní postavení na trhu; následující rok se PIXAR konečně dočkává Oskara za film Tin Toy.

 

Devadesátá léta

V roce 1990 Microsoft uvádí na trh další verzi Windows, tentokrát s označením 3.0 a firma Autodesk představuje svůj produkt 3D Studio pro DOS – první sofistikovanější a ucelenější program pro PC na výrobu 3D grafiky (vyvinul jej Dan Silva -  autor slavné kreslící a animační aplikace DPaint na Amize – původní cílovou platformou 3D Studia měla být právě Amiga, což se z mnoha důvodů nestalo). Dnes směšná hračka, ale ve své době jedinečný a silný nástroj.

 

První vizuální animační nástroj nabízí kanadská firma Softimage, profesionální 3D produkty vycházejí též z dílen firem Alias a Wavefront.

 

V 91. roce firma ILM (Industrial Light and Magic) vytváří převratné triky pro film Terminátor 2, a ukazuje, jakým směrem se bude v budoucnu ubírat práce trikových specialistů. V témže roce jsou vyvinuty i standardy pro kompresi obrázku a videa s názvy JPEG respektive MPEG.

 

O rok později je uvolněn program Softimage 3D pro komerční užití – ve své době nejlepší animační a renderovací systém pro 3D grafiku, který byl použit právě ve filmech Terminátor 2 a Jurský park (jehož dinosauři se proháněly po světových kinech o rok později).

V roce 1994, kdy světu kraluje hra Doom, připravuje Bill Mates své Windows 95 a kupuje program Softimage 3D, který byl do té doby pouze doménou počítačů Silicon Graphic (SGI). Tímto krokem zasazuje firmě SGI citelnou ránu, která vede až k dohodě v roce 1998, kdy se SGI částečně přeorientovává na platformu Windows NT. Microsoft poté prodává Softimage firmě Avid, ale to je již kartami tak zamícháno, že pozici Microsoft nic neotřese. Silná pozice drahých grafických stanic je otřesena – ukazuje se, že podobnou grafiku lze realizovat i na platformě Windows.

 

V roce 1998 se na trhu objevuje další highend grafický systém Maya od firmy Alias (vznikl z předchozích produktů firem Alias a Wavefront, např. Alias PowerAnimator či Wavefront Explore).

 

Co ještě přinese čas

Ohromný rozvoj v oblasti osobních počítačů a hlavně grafických karet, jehož jsme dnes svědky, sloučí pravděpodobně za čas obě 3D grafiky do jednoho odvětví. Již nebudeme rozlišovat grafiku renderovanou a real-timovou, která se teď uplatňuje zejména v herním průmyslu a v nejrůznějších simulacích, ale vše bude probíhat okamžitě a bez čekání – krásný sen všech 3D grafiků – sen, který se ale velice brzo promění v realitu, v níž ani zkušené oko profesionála nerozezná, co bylo ve filmu natočeno a co následně vytvořeno ve 3D.

 

Ale na druhou stranu v něčem, co má tak raketový start neuvěřitelně rychlý let, jako svět počítačů ve dvacátém století, nelze dělat přílišné prognózy – to co bylo před deseti lety špičkou, hnije dnes na smetištích a co bude za dvacet let to ví jen Bůh.

 

Jan Tománek

 

Převzato z časopisu Pixel 5/2002

Přepsal Marek Kotala

    Logo GENES Media s.r.o. - digitální agentura

    vytvořil tým společnosti genes media s.r.o.

    Facebook in Google+ RSS feed Pinterest
    Linked in
    Kontaktní formulář