Компьютерная графика
Это направление развивается в Институте с 1964 года. Сам термин "машинная графика" был предложен в 1970 г. в стенах ИПМ [232]. В конце 60-х началась разработка библиотеки графических программ на ФОРТРАНе. Первая публикация относится к 1972 г. Тогда библиотека позволяла выводить на графопостроитель, а затем и на дисплей, графические примитивы (отрезок прямой, дугу окружности, алфавитно-цифровые символы) и на их базе строить графики функций. Этап создания классической графической библиотеки на Фортране завершился в 1985 г. изданием монографии [233], вышедшей тиражом 40 тыс.экземпляров и подведшей итог 15-летней работы.
В 1990 году совместно с американской ассоциацией ACM SIGGRAPH при активном участии ИПМ началась подготовка конференции ГрафиКон. Конференция прошла в феврале 1991 года с большим успехом. Конференция стала ежегодной и позволила многим российским специалистам установить контакты со специалистами США, Англии, Франции, Германии, Японии, Кореи, Китая и многих других стран.
Магистральным направлением развития компьютерной графики в Институте стало физически аккуратное моделирование распространения света в различных средах. Была построена технология на основе методов Монте-Карло и трассировки лучей, позволяющая с высокой точностью рассчитывать освещенность реальных сцен, строить высокореалистичные изображения фотографического качества.
Созданная технология расчета распространения света оказалась столь эффективной и точной, что позволила сделать следующий шаг и перейти к моделированию сложных оптических светопроводящих и осветительных систем: жидкокристаллических панелей, волоконной оптики, автомобильных фар и приборов, и т. д. Системы такого рода, как правило, обладают сложной трехмерной геометрией, включая микрорельефы, и характеризуются огромным количеством внутренних переотражений. В то же время к точности моделирования предъявляются особо высокие требования.
Еще одним направлением, получившим развитие в последние годы, стало моделирование и визуализация новых оптически сложных материалов, таких как многослойные ("металлические" и перламутровые) краски со сложной микроструктурой.
На рис. 39 проиллюстрирован процесс компьютерного проектирования интерференционной автомобильной краски путем смешения нескольких компонент ("морфинг").
Другим сложным для визуализации и моделирования типом материала являются ткани. Имеющаяся технология расчета распространения света была дополнена методами стохастической трассировки лучей. В результате были созданы средства визуального проектирования тканей, основывающиеся на их физических и структурных параметрах, таких как оптические свойства волокон, структура и форма нитей, тип ткани и т. д. Это позволяет оценить, как будет выглядеть тот или иной материал (ткань) при различных условиях освещения и направлениях наблюдения до того, как он будет произведен. На рис. 40 показан процесс моделирования внешнего вида ткани типа искусственного шелка.
Рис. 40. Процесс проектирования внешнего вида ткани
С самого начала работ по физически аккуратному моделированию распространения света стало ясно, что движение в этом направлении невозможно без качественных и точных значений светорассеивающих свойств реальных материалов, используемых в моделировании: образцов красок, рефлекторов, элементов жидкокристаллических панелей и т. д. К сожалению, из-за многомерного характера задачи и большого числа необходимых измерений использование традиционных оптических приборов оказалось невозможным. В связи с этим в Институте был разработан и построен оригинальный лабораторный измерительный комплекс для определения спектрального и пространственного распределения света, рассеиваемого поверхностями.
Уникальность построенной установки заключается в том, что, в отличие от существующих в мире аналогов, она позволяет измерять полную оптическую характеристику поверхности: отражение и преломление со всех углов при произвольных направлениях падения света на поверхность.