1980 年代的電腦圖學

Jul 17 2009

animation

原文: http://www.danielsevo.com/hocg/hocg_1980.htm

1980 年代,是電腦圖學進入 Hollywood 的黃金時代。

SIGGRAPH 自 1980 年代的早起開始茁壯。“Catmull 回憶著:“SIGGRAPH 是個非常好的組織,它非常幸運地,總是可以請到一些對的人,在對的時間點,做出對的決定與事來。也因此,SIGGRAPH 這個組織理所當然地,成了最好的學術組織之一,裏頭有大量的知識與技術分享,對所有參與的人來說,都非常的開放。幾年下來,它產生了為數可觀,令人驚豔的成果。它讓一群人得以聚在一起,分享知識與在工作上合作。最棒的是,它一直以來都是如此。“

在 SIGGRAPH 1980 那年,有一部Vol Libre(譯注:請點選左邊的 link 來看個一張圖,這是將近 30 年前,一個工程師獨立完成的畫面!)的影片震驚人全會場:一部使用全 CG,快速飛越一大片山脈的動畫。重點是,那些山脈還全部是使用碎形(fractal)產生的! 作者是一位來自於在西雅圖的波音航空公司的程式員 – Loren Carpenter,他在專研了 Mandelbrot 的研究後,做了一些修改所模擬出來的碎形山脈。

Carpenter 自 1966 年起至 1980,就一直是在波音航空的電腦服務部門(Computer Services department)工作,同時,在華盛頓大學(University of Washington)期間,他就開始透過學校的圖書館來了解當時電腦圖學的進展,進而跟上最新的技術。最後,他靠著自己的努力進了波音航空一個開發與電腦繪圖軟體相關的部門工作。也因為進了波音,才讓 Carpenter 有更多的機會接觸到當時非常先進的圖繪硬體設備,透過與其它工程人員的合作,Carpenter 在波音那發表了不少論文。(譯注:這和現在這個時代來說,每一台個人電腦都可以完成某種程度的繪圖作品相比,實在是讓人不得不對硬體技術的進展感到欽佩。)

70 年代時,Carpenter 正在建構一台飛機的 3D 模型,然後再 render 出來,當時,他非常希望同時有某種很酷的場景可以來搭配這一段飛行影片。後來,他在研讀了 Mandelbrot 的書後,一度對於書中提到的方法限制是如此的多,結果也沒那麼漂亮,而感到非常的失望。這段期間,Lucas 的 Star Wars 才剛上映,作為這部影片的影迷,Carpenter 再次希望,他有朝一日可以透過電腦做出一段非常驚人的場景,而且最好還是外星世界的地形。也因為這樣而趨使 Carpenter 繼續執行這個想法,而在最後的 1979 年,他想到了如何使用碎形來創造出一個地表出來,實現他的夢想。(譯注:過了將近十年才完成的夢想)

1979 年,當 Carpenter 在一趟前往 Ohio 州的洽公旅途中,踫巧遇上了一位對於電腦圖學領域裏頭的人事物有點了解的陌生人,這位先生向他介紹了一些人,包括了 Ed Catmull 他是如何地被 Lucas 請進去成立一個實驗室…等。(譯注:為何在我飛往美國的眾多班機過程中,沒有遇過這種陌生人呢?)當下,Carpenter 對這件事非常的感興趣,但他並沒有急著立即透過這一位陌生人與 Lucasfilm 或是 Catmull 取得連繫,也沒有寄出任何的一份求職信或履歷。一部分原因是,當時他的“外星地形“還沒完成;另一個原因,他相信當時的 Lucasfilm 這麼紅,收到的求職信件一定多到嚇死人,並不差他這麼一份(”At the time they were getting enough resumes to kill a horse” explains Carpenter.)。

Carpenter 回憶道:“當時,我想要極盡可能地展現這個使用碎形製作出來的地形的結果,我希望它不只是看起來好看,很酷而已,我更希望這個地形以動畫的方式呈現時,也非常的完美。於是,在解決了一些技術問題後,做了一段影片出來,寫了一篇文章來描寫裏頭我怎麼處理問題的,同時附上了很多張品質不錯的圖片上去。可能因為這樣,我恰巧成了那一年 SIGGRAPH (1980)影片動畫的成員(A/V)之一,而且我的其中一張圖片還被印在那時 SIGGRAPH 給 A/V 製作的 T-shirt 上頭! 我盡可能地讓這個小活動在整個 SIGGRAPH 會場裏頭非常的熱門,到處都看得到它的影子,因為我想讓 Lucasfilm 的人看到我的成果,好讓他們主動跟我說「來吧,請你加入 Locuasfilm 的團隊~」。“事實也的確是如此,Carpenter 加入了當時由 Catmull 領軍的 Lucasfilm 技術團隊裏頭,它在 1981 年的第一個渲染器(renderer),就叫 REYES(Renders Everything You Ever Saw),REYES 後來最終成為 Renderman 至今,而 Carpenter 至今也還在 Pixar 的研發團隊裏頭。

Carpenter 就是這麼一位積極的人,按照他的方式一路表現出驚人的貢獻來。

1980 年代還有另一位很重要的人物出現:Turner Whitted

Turner Whitted 在 1980 年發表了一種新的算圖/渲染演算法來模擬會反光的物理表面,這個方法就是有名的 Ray Tracing。論文中的想法是:「藉由模擬每一個從光源發射出來的光線,這些光線行走的路線,踫觸到的物體表面,踫撞後的反應(反射或折射),然後一路模擬下去,到最後不見或在某個條件下收斂為止」。因此,只要寫一支電腦程式做這方面的模擬,然後一路執行下去,最後把有打到人眼(或相機)的光線的顏色給算出來,顯示在螢幕上頭就行了。這個方法非常的簡單而直覺,很酷,也非常的接近真實世界的狀況,但問題就在於計算量過大。你想想,把一個點光源放進一個場景裏頭,會有多少萬條以上的光線飛來飛去? 更何況場景可能很複雜,光線彈來彈去的,有得電腦去忙的了。也因此,當時很多 3D 動畫的技術人員(包括那群開發了 3D Studio 的 Yost Group 的工程師)都拒絕把 ray tracing 加入他們的軟體裏頭,即使它有機會產生品質非常高的圖來。(譯注:不過後來,幾乎所有的 renderer 都有 ray tracing 的骨子了~ 世界是會改變的~)

譯注:但我相信,隨著機器機算能力的大增,加上不管是多核心或是所謂的雲端運算,超強 GPU…未來,有非常大的機會是 ray tracing 的時代。

接下來,我們來談談一部電影。

大約 1980 左右,兩位先生:Steven Lisberger 是傳統 2D 手繪動畫師,與另一位叫 Donald Kushner 的法律兼影片發行商的人,他們合夥起來,決定來拍一部非常科幻而且酷到不行的電影,背景設定是一個大型電動裏頭的世界。他們拿著這個點子到處嘗試找資源,到處踫釘子(譯注:這揰事很顯然,活下來的點子都是當初一直相信自己的點子會成功的人的堅持。)最後,Disney 的一位大頭 Tom Wilhite 接受了他們兩位這個無厘頭且可能不切實際的點子,決定幫他們完成這部電影,經過層層關卡,Disney 內部一致決定通過這個電影計畫。這部電影就是 Tron

Tron 是一部科幻電影,描述一個人在一台電腦裏頭的旅程。根據當時這兩位先生的想法,這一部電影需要將近 30 分鐘使用電腦圖學產生的畫面,而且品質要是電影品質的,對於那個時候的圖學實驗室或單位來說,是個幾乎不可能的任務。也因此,整個解決方案改成把問題拆成比較小的部分,然後每個部分由不同人馬進行,最後再組合回去。當時有參與的工作室有 Triple I, MAGI (Mathematical Applications Group Inc.), 還有包括 NYIT 學術單位…等!!(譯注:算是非常早期的特效 OEM?)

最後的結果是,Tron 裏頭使用電腦圖學產生的畫面,就當時的標準來看是非常棒的,但非常遺憾的是,拍電影終究是要拿來賺錢用的,而 Tron 的故事太爛了,觀眾不怎麼買帳。Disney 當時花了約 2,000 萬美金投入製作,可是卻無法在票房方面有等值的回收,這對 Hollywood 來說是個非常不好的像徵,讓人更加懷疑電腦圖學可以與電影產業結合。而 Triple I 也因為製作 Tron 後,而把它的電腦圖學部門整個給賣掉的了。

譯注:Tron 的確可以算是畫時代的東西,但是畫時代的東西要獲得大眾的支持會這麼難,我想最主要是因為投入的經費大多放到「解決新的未知問題」上頭了,導致沒有夠多的資源在整個故事發想或設計上,或是宣傳,於是就失敗了?

接著是五家有趣卻非常重要的公司的成立。

1980, Carl Rosendahl 成立了一家 Pacific Data Images (PDI),這是一家一開始著重於廣告後製,短片,或是公司形象 logo 動畫的公司,因為一開始就避開了朝電影長片的路,等於是避開了與大家競爭,而且找到一個很特別的點切入,所以一路活得不錯,雖然初期沒有成為偉大公司的樣貌,但慢慢發展,最後成了被 Dreamworks 買走的強力公司。PDI 除了 business model 比較 niche 以外,也因為他們一直以來都有投入自行研發,像是早早開發並整合了 anti-aliasing rendering 的東西進 pipeline 等。

然後在 1982 年,由 Jim Clark 領軍成立了 Silicon Graphics Inc. (SGI),這就沒什麼好介紹的了,SGI 是個重要到不行的公司,即使後來沒落了。像是 OpenGL, NVidia, 繪圖工作站, 64-bit RISC microprocessor (IRIX), Onyx, … 太多了。

1982 同年,Lucasfilm 與 Atari(大型遊戲公司)合作,合作開發了一系列電影相關的遊戲(當然,不侷限於此),而後,Lucasfilm 參與遊戲開發的部門成了 LucasArts,開發了為數不少經典遊戲。(譯注:這是在我國高中時期的事了…)

一樣是同年(1982),John Walker 與 Dan Drake 夥同另外的 11 位程式工程出,建立了 Autodesk Inc。他們的第一個產品是赫赫有名的 AutoCAD,然後就是一路發展,最後成了 3D 產業裏頭,3D 軟體的龍頭老大。

最後,是來自於 Lucasfilm 的事。一直以來,Lucas 的電影團隊,在處理電影裏頭有關特效的部分時,都是交給 Industrial Light and Magic (ILM) 這個部門的,而在當時,他們對於 Computer Graphics 是非常沒有信心的。(譯注:回憶一下 Tron 所造成的衝擊)一部分是因為 ILM 不信任電腦圖學,另一部分是因為 Catmull 領軍的技術團隊雖然對一些電影有貢獻(ex, Star Wars 裏頭的死星;Star Trek II 裏頭的 Genesis 機器特效…),但是並沒有到讓整個 Lucas 團隊都眼睛為之一亮的程度。所以最後,Lucas 把這個團隊賣給了 Steve Jobs,變成了 Pixar,不過這是幾年以後的事了。(譯注:有一個說法是,當時 Lucas 和老婆離婚,正缺贍養費,所以…)

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