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计算机图形史上最重要的物品,竟是一只茶壶

时间: 2017年07月19日 | 作者: JESSE DUNIETZ | 来源: Nautilus
一个不起眼的小物件对计算科学的发展产生了巨大的影响。

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微软Windows的“管道”屏保。图片来源:Daniel Kufer/Youtube

 

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让我们先玩个“找相同”的游戏吧!Windows的“三维管道”屏保程序和动画《玩具总动员》以及《辛普森一家人》的制作人员都在他们的作品里安插了一个相同的彩蛋,你能找出来吗?

 

你可能已经发现了,这几个场景都绘制了完全相同的物品:一个反光的扁茶壶。

 

当你在打游戏、电脑待机或是观看这些影视作品时,可能并不会察觉到这个小物件,但它对计算科学的发展却产生了巨大的影响。这个不显眼的茶壶有一个专门的名字——犹他茶壶(Utah teapot),它的出现要追溯到1974年,那时它的提出者、计算机科学家马丁·纽维尔(Martin Newell)还是犹他大学的博士研究生。

 

犹他大学曾是计算机图形学的研究重镇。作为其中一员,纽维尔对3D图形的算法实现有着许多独到的见解,比如渲染图形的阴影效果、反光的材料质地或是通过旋转来展现不清晰的图形表面。但令他懊恼的是,他迟迟未能找到一个可以充分表达他设想的数字对象,因为那时模拟反射的典型物体都太过简单,比如国际象棋的棋子、甜甜圈和瓮等。

 

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这三张3D渲染图来自于纽维尔1972年发表的论文中。在犹他茶壶出现前,国际象棋的棋子、甜甜圈和瓮是3D渲染的主要习作。图片来源:国际计算机协会

 

有一天,纽维尔放下茶杯对妻子桑德拉(Sandra)说,他需要更多有趣的模型,桑德拉则建议他,为何不对家中的茶具进行数字化处理呢?这套美乐家(Melitta)牌的茶具再为普通不过,但却成了极具前景的模型。茶壶表面圆滑、有较多鞍点、手柄、盖子和壶口部分都是图形化实验的理想物件。与其他物体不同的是,茶壶能在自身表面形成阴影。纽维尔受到启发,在纸上临摹了起来。

 

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马丁·纽维尔的“犹他茶壶”手绘稿图片来源:加利福尼亚芒廷维尤电脑历史博物馆

 

之后,他向实验室的泰克储存管(Tektronix storage tube,一种早期的文本和图形终端)中输入了初拟的贝塞尔控制点(Bézier control points)作为茶壶的坐标系统,而这种控制点最早被用于汽车车身设计。一只外形小巧可爱的虚拟茶壶就此出现了,而且可以说,它比当今所有3D模型的使用范围都要广泛。

 

纽维尔的同事吉姆·布林(Jim Blinn)被这个新模型深深地迷住了。有一天,他为了展示新设计的软件能够调整物体的高度,将纽维尔的茶壶初版调扁了一些,在他看来这样的茶壶更加美观。于是,“犹他茶壶”就诞生了。

 

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在纽维尔发表的第一篇有关茶壶图形的文章中,他将其视为一种展示“真实渲染”技术的载体。除了左上图的“基本款”以外,反光版、图案版和结合版也都出现其中。图片来源:国际计算机协会

 

这个计算机模型对于纽维尔的研究生涯无疑是非常重要的,他此后发表的数篇论文都以此为研究对象。另外,他和布林还将模型公之于众。众多研究者自此开始热衷发掘3D模型,这款茶壶成为了他们的“试验田”。在当时,茶壶形状的输入对纽维尔来说并不困难,计算机也能游刃有余地进行处理。而“犹他茶壶”又与家具、碗中水果等家庭物件不同,就算表面不叠加人工纹理图案信息,看上去也十分逼真。

 

茶壶模型迅速成为了图形学界的“宠儿”。越来越多的期刊将茶壶图形用作插图,有的还用它妆点封面。动画家汤姆·西托(Tom Sito)在他的著作《移动的创新》(Moving Innovation)中提到:“任何有关渲染和光照技术的新设想都会先在茶壶模型上率先试用,于是雪花石膏质、豹纹或是动物皮毛的茶壶渲染图接连出现了。”其中最著名的当属发表于1987年的一张图,它在介绍五个正多面体的同时,意外地添加了一种全新设计的茶壶——“Teapotahedron”(茶壶多面体)。

 

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“Teapotahedron”位于模拟石柱的顶端,旁边放置着五个正多面体。图片来源:国际计算机协会

 

如今,犹他茶壶已经奠定了自己的江湖地位。许多3D绘图的软件包中都内置了犹他茶壶图形,以供测试、展示和基准化分析。图形学怪咖们喜欢将其偷偷地植入背景和游戏中,用以致敬前辈们对茶壶渲染付出的心血,这也成为了一种“图形圈”的幽默方式。

 

近年来,犹他茶壶模型通过3D打印技术来到了真实世界中。它们有的用于装饰摆设,还有的成为了真正的泡茶工具。皮克斯公司甚至专门为犹他茶壶制作了一段名为“用来行走的茶壶”的纪念版音乐影片。此外,他们还设计了一款发条茶壶玩具,用于Renderman渲染软件的推广。

 

纽维尔开玩笑地抱怨道,尽管他提出了许多创新性的算法,但人们提到他只会想起这个“该死的茶壶”。不过与所有提出新算法的计算机科学家相比,设计出实验测试台的人往往会获得更多盛誉。纽维尔设计了计算机图形学的关键“模式生物”——茶壶,它的意义就如同生物学中的小鼠。

 

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原版的犹他茶壶实体目前正在加利福尼亚芒廷维尤电脑历史博物馆展出。图片来源:Marshall Astor/维基百科

 

这只茶壶也告诉了我们这样一个道理:简单的东西也可以蕴含巨大的潜力,只要找对方法,它们都可能成为创意的源泉。为了纪念这一伟大设计,加利福尼亚芒廷维尤的电脑历史博物馆将原版的茶壶工艺品陈列其中。它好似一个参观者,与周围的算盘、主机、游戏控制器,和其他计算设备展品格格不入。当你凑近了观察它,肯定会觉得它似曾相识。

 

撰文 JESSE DUNIETZ

翻译 胡砚泊

审校 吴非

 

原文链接:

http://nautil.us/blog/-the-most-important-object-in-computer-graphics-history-is-this-teapot


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