Автор: Леонід Левкович-Маслюк
Опубліковано в журналі «Компьютерра» №7 від 21 лютого 2006 року
«Прибуття поїзда» - так називався найперший фільм. Сьогоднішні тематичні матеріали присвячені «кішечка» - одному з перших в історії дослідів комп'ютерної анімації, здійсненому трьома математиками Московського університету майже сорок років тому. Сюжет простий: за сорок секунд кішка кілька разів проходить по екрану з кутка в куток. Набагато цікавіше сюжет, пов'язаний з роботою над фільмом, його забуттям на багато років і недавнім відродженням в цифровій формі.
Простеживши за цим сюжетом, ми в не зовсім звичній перспективі побачимо дуже цікавий епізод з історії розвитку інформатики в нашій країні. Автори фільму поставили перед собою і блискуче вирішили зовсім новаторську на ті часи завдання. У першому з матеріалів теми мова йде про основні ідеї, що лежать в основі цієї роботи, у другому - про мотиви авторів і про обстановку, в якій вона велася.
Що, як і коли
Вперше я почув про «кішечка» ще навчаючись в школі. Ідеолог проекту - Микола Константинов, відомий всій математичної Москві творець мережі математичних гуртків і шкіл і сам чудовий математик, - але про нього мова нижче. Так ось, Константинов заглянув до нас у клас і запросив до актової зали «подивитися мультфільм, який намалювала машина». Я не пішов і упустив рідкісну можливість познайомитися з роботою, кардинально обігнала свого часу. Справа була чи то в 1968, чи то в 1969 році, коли Константинов регулярно показував цей фільм в школах і на математичних олімпіадах.
Побачив же я «Кішечку» лише кілька місяців тому, в перерві одного з своїх підшефних Константиновим шкільних турнірів під назвою «Математична регата». Брудно-сірий, злегка тремтячий, як у старовинній кінохроніці, фон, на якому з'явилися імена авторів, а потім і сама кішечка, складена з добре помітних тьмяних квадратиків, все це не віщувало нічого захоплюючого. Але кішка зробила крок, другий - і стало ясно, що перед нами зовсім скам'янілість з музею. Те, що ми побачили, було живим, нахабним і незалежним, і найприємніше - не мало нічого спільного ні з диснеївськими, ні з союзмультфільмовскімі іграшковими звірятами. Константинов, як завжди, виявився гранично точним у формулюванні: це малював не людина за допомогою машини - малювала саме машина, забезпечуючи не умовна мультяшний, а буквальний, повсякденний реалізм рухів.
З недавніх пір, завдяки команді сайту «Математичні етюди», кожен може самостійно оцінити «Кішечку», знайшовши її на www.etudes.ru . Там же і оригінальна стаття про технології створення фільму, надрукована в журналі « проблеми кібернетики »Тільки в 1974 році. Спробуємо уточнити місце цієї роботи на еволюційної шкалою комп'ютерної анімації.
Чесно кажучи, починаючи досліджувати історію «Кошечки», я у свій час навіть думав, чи не виявиться вона найпершим прикладом комп'ютерної анімації. Але це, звичайно, не так. Наприклад, Юрій Баяковскій, один з активних учасників «героїчного періоду» становлення комп'ютерної графіки, після перегляду «Кошечки» пригадав, що ще в другій половині 50-х в ІПМ імені Келдиша РАН на машині «Стріла» (де пам'ять була на електронно-променевих трубках, поодинокі біти світилися, нульові - немає) інженери «робили анімації, заповнюючи відповідним чином пам'ять нуликами і одиничками». Можна припустити, що і на Заході у комп'ютерній анімації був тривалий період «фольклорного» розвитку. Схоже, що офіційної хронології у комп'ютерній анімації поки немає, так як тимчасові шкали, що складаються різними дослідниками, не в усьому узгоджуються. У будь-якому випадку, «Кішечка» потрапляє в досить малонаселену зону. Комп'ютерна анімація в кінці 60-х ще тільки готувалася стати індустрією, а роботи перших художників, які застосували її в творчості, іноді відразу опинялися в кращих музеях сучасного мистецтва.
Зате цілком можливо, що дві базові для анімаційних технологій ідеї були вперше реалізовані саме в цьому фільмі, причому задовго до їх появи в мейнстримі.
Перша з ідей, при всій її важливості (Меттью Уорд навіть виділяє октодерево як окремий етап в історії комп'ютерної графіки, відносячи його до 1982 року - чотирнадцять років після «Кошечки»), все-таки здається мені принципово більш простий у вигадуванні і реалізації, ніж друга. Легко уявити, що в «фольклорі» подібні методи на той час вже існували (інша справа, що автори не були пов'язані з цим тільки виникав тоді співтовариством і самі винаходили все з нуля). А ось друга ідея значно глибше концептуально і складніше технічно. Сучасні огляди по моделюванню руху людини для цілей анімації (оглядів, присвячених спеціально кішкам або іншим тваринам, я не знайшов) відносять перші роботи такого типу - анімацію ходьби на основі рішення рівнянь прямої або зворотної кінематики і динаміки - до початку або середині 80-х. У біомеханіки, без будь-якого зв'язку з комп'ютерною анімацією, перші спроби (двомірного!) Моделювання руху людини на основі завдань оптимізації, що призводять до диференціальних рівнянь, робилися на початку 1970-х [ Computer Animation of Human Walking : A Survey (1999), Franck Multon, Laure France, Marie-Paule Cani-Gascuel, Gilles Debunne]. Цілком можливо, що подібні дослідження велися в момент створення «Кошечки» і в робототехніці. Рекорди і пріоритети справа тонка, і я б не хотів зараз всерйоз заглиблюватися в цю тему. Але з літератури абсолютно очевидно, що аж до початку 80-х основною технологією комп'ютерної анімації залишалися ті чи інші форми інтерполяції між кадрами, різні варіанти морфинга і т. П. - речі, принципово більш прості, ніж реалістичне матмоделірованіе живого руху, застосоване в « кішечці ».
Відзначимо, що рівняння «Кошечки" не виводилися безпосередньо з фізичних моделей м'язів і суглобів. Вони лише якісно відтворюють типові патерни котячої ходьби (несподівані подробиці читайте в інтерв'ю з Константиновим в цьому номері). Реалізм рухів, тим не менш, очевидний. Причому не тільки мені. Свою думку в урізанні висловлює Рік Парент, професор Університету Огайо (однією з колисок комп'ютерної графіки), автор монографії «Computer Animation: Algorithms and Techniques», фахівець з анімації людських фігур, а також з історії комп'ютерної анімації. Завдяки Паренте ми змогли проілюструвати цей матеріал кадрами одного з перших тривимірних комп'ютерних фільмів «Not Just Reality», зробленого Баррі Весслером в Університеті Юти в 1973 році.
Юрій Баяковскій
Коли мова заходить про перших роботах по комп'ютерній графіці в нашій країні, відразу ж пригадується ім'я Юрія Баяковского (в 1990 році на конференції SIGGRAPH асоціація ACM присвоїла йому титул «Computer Graphics Pioneer»). Зараз Юрій Матвійович очолює в МГУ Лабораторію комп'ютерної графіки і мультимедіа на факультеті ВМК (graphics.cs.msu.su), але продовжує працювати і в Інституті прикладної математики ім. Келдиша РАН, де він багато років завідував відділом комп'ютерної графіки і де ще в 1964 році в співавторстві з фізиком Тамарою Сушкевич виконав першу в СРСР роботу по «машинній графіці». Це була якраз анімація, невеличкий фільм про обтікання циліндра плазмою. У 1971 році в ІПМ був розроблений більш досконалий софт для створення комп'ютерних фільмів і встановлена камера для зйомки кадрів з екрану дисплея. За допомогою цієї системи незабаром були зроблені ще дві вражаючі анімації. Одна візуалізувати рух робота, інша - змодельоване « приливну взаємодію »Двох галактик.
Як бачимо, в нашій країні перші дослідження з комп'ютерної анімації велися в рамках наукової візуалізації. На моє запитання про роботи, де б ставилися і вирішувалися завдання анімації «живих об'єктів» за допомогою нетривіальних математичних моделей, Юрій Матвійович відповів: «Таких робіт у Росії я не знаю. Мій студент Саша Савенко займався цим, але в Англії, там і захистив дисертацію на цю тему ». Таким чином, не виключено, що «практичний контекст» для роботи Константинова і його співавторів в Росії все ще не з'явився.
Хто, навіщо і чому
Саме чудове в історії виникнення «Кошечки» - команда її творців і рухали ними мотиви. Уже згадувалося, що ініціатором проекту та автором ключових ідей був Микола Миколайович Константинов. Якщо буде потрібно назвати самого популярного математика в Москві, їм виявиться, поза всяким сумнівом, Константинов. Дуже багато нинішніх стовпи цієї науки починали в його гуртках - а сьогодні працюють в заснованому ним Незалежному Московському університеті, новому математичному центрі світового рівня. Константинов - президент Турніру міст, найбільшого математичного змагання для школярів на території колишнього СРСР, член правління Міжнародної федерації національних математичних змагань (World Federation of National Mathematics Competitions), де відповідає, ні багато ні мало, за всю Європу. Нарешті, Микола Миколайович дійсний член (по секції застосування математики до біології) Московського суспільства випробувачів природи, найстарішого наукового товариства Росії (заснованого в 1805 році, серед іноземних членів були Ламарк, Дарвін, Фарадей). Для нашої теми важливіше за все, що Константинов вже багато років залишається кристалізуючим центром живої, активної, самоорганізується середовища, яка об'єднує як молодих, так і маститих дослідників і викладачів, як вундеркіндів-олімпіадників, так і просто захоплених наукою студентів і школярів.
Вельми показово, що такий чудовий проект виник саме в цьому (не формалізованому) співтоваристві і виключно на основі фундаментального, натурфилософского інтересу. Головний урок «Кошечки», на мій погляд, - яким яскравим може бути результат, коли талановиті люди беруться за цікаву фундаментальне завдання, не обмежуючи себе штучними рамками «програмування», «анімації» і т. П., - і чесно вирішують її, не озираючись ні на кар'єру, ні на плани, ні на ринок (іноді - як в даному випадку - ненавмисно обганяючи цей самий ринок років на десять-п'ятнадцять).
Але як бути з тим, що всі ці чудові ідеї стільки років не знаходили відгуку - ні в тій самій «Костянтинівській» середовищі, ні за її межами? Це важливе питання. Він серед інших обговорюється в бесіді з Константиновим на наступних сторінках. Можу тільки додати, що через багато років ця робота повертається до життя в тій же самій середовищі: на світ божий (тобто в цифру і в Інтернет) фільм витягнув один із соратників Константинова по олімпіадних-гурткової та науково-популярної роботи Микола Андрєєв, а широкого читача з ним знайомлю, як бачите, я - теж пройшов колись через Костянтинівський матшколи (спочатку як учень, потім як викладач).
Ну а тепер пора урочисто сказати «спасибі». Я дякую:
- творця сайту освітніх математичних анімацій www.etudes.ru Миколи Андрєєва, який дуже допоміг мені з фото- і відеозйомкою і без якого багато ніколи б не побачили «Кішечку»;
- Юрія Баяковского за цінні консультації та важливі посилання на літературу;
- Миколи Константинова за цікаву бесіду і допомогу в роботі над матеріалами;
- Ріка Паренте за відповіді на мої численні запитання, за фаховий коментар до «кішечка» і за доступ до фільму «Not just reality».
Рік Парент
Розшукуючи огляди з історії комп'ютерної анімації, я виявив в цифровій бібліотеці IEEE доповідь професора Університету Огайо Ріка Паренте (Rick Parent) «Комп'ютерна анімація: алгоритми і технологія - історичний огляд» на конференції IEEE Computer Animation 2000 - і тут же написав листа автору з проханням про консультації. Ось його відгук про «кішечка»:
«Для свого часу ця анімація кішки воістину чудова. Рівень анімації в той період в США (і в усьому світі, наскільки можу судити) найкраще характеризує фільм "Не просто реальність" ( "Not Just Reality"), зроблений в 1973 році Баррі Весслером (Barry Wessler), які навчались тоді в Університеті Юти . Для анімації ходить і говорить фігури використовувався скриптова мова. Фільм був знятий покадрово камерою, вміщеній перед екраном векторного дисплея. За допомогою колірних фільтрів окремо записувалися і потім поєднувалися червоний, зелений і синій компоненти кожного кадру, а анімація кішки робилася зйомкою картинок, надрукованих на папері.
Чудовою картину робить не техніка записи, а якість передачі руху. Рух ніг більш плавне і природне, ніж те, якого вдавалося досягти комп'ютерним аніматорам того часу. Дуже природно виглядав і поворот голови в кінці двох проходів кішки.
Хоча наведені в статті рівняння руху і модель чотириногою ходи навіяні біомеханікою, проте вони були спеціально розроблені для даного фільму. Моделювання руху використовує аналітичну зворотну кінематику, дерево рішень, що управляє вибором відповідного в даний момент рівняння і механізм зворотного зв'язку, синхронізує рух ніг.
Застосувавши ці методи для анімації, автори обігнали свій час. Наскільки я знаю, це був перший випадок використання таких рівнянь руху при створенні комп'ютерної анімації.
Частина чарівності фільму обумовлена поєднанням примітивних технічних засобів (видно, наприклад, складки на папері) і високої якості отриманого руху. Я вдячний Леоніду Левковичу, познайомив мене з цим чудовим епізодом історії комп'ютерної анімації. »
Не утримаюся від того, щоб привести першу реакцію Ріка на перегляд «Кошечки»: «Це ПРЕКРАСНА анімація! Я від неї в захваті. Якщо не заперечуєте, я покажу її сьогодні студентам на заняттях. Чи використовувалися дані кінематики, записані з реальною кішки? »
Але як бути з тим, що всі ці чудові ідеї стільки років не знаходили відгуку - ні в тій самій «Костянтинівській» середовищі, ні за її межами?Чи використовувалися дані кінематики, записані з реальною кішки?
