Кто придумал 3D-моделирование и когда оно появилось?

3D-моделирование выросло из идей аналитической геометрии и компьютерных технологий. Ещё Евклид (III в. до н. э.) и Рене Декарт (XVII в.) заложили основы координат и аналитической геометрии, а в XIX в. Дж. Д. Сильвестр разработал теорию матриц, без которой невозможно представить современные преобразования в 3D-графике. Концепция CAD (Computer-Aided Design, САПР) оформилась к концу 1950-х: в 1959 году Дуглас Росс впервые ввёл термин «автоматизированное проектирование». Уже в 1960 году Уильям Феттер (Boeing) предложил термин «computer graphics», а вскоре компьютеры начали использоваться для разработки конструкции самолётов (например, Boeing 727, выпущенный в 1962 году).

Кто придумал 3D?

• 1959 — Д. Росс вводит термин CAD (Computer-Aided Design).
• 1960–1962 — Уильям Феттер (Boeing) впервые употребляет «computer graphics» (1960) и запускает вычислительное проектирование кабины самолёта Boeing 727 (допоступил в 1962 г.).
• 1963 — Иван Сазерленд (И. Сазерленд) на компьютере TX-2 создаёт систему Sketchpad (в рамках диссертации), продемонстрировавший первые интерактивные графические возможности и заложивший основы 3D- и CAD-приложений.
• 1964 — GM и IBM совместно разрабатывают систему DAC-1 (Design Augmented by Computer) – одну из первых CAD-систем для проектирования кузовов автомобилей.
• 1966–1968 — французский инженер Пьер Безье (Renault) создаёт САПР UNISURF (применяя сплайны для моделирования поверхностей); одновременно Citroën внедряет систему SPAC (на базе работ П. де Кастельжо).
• 1968 — основана компания Evans & Sutherland (И. Сазерленд и Д. Эванс) – первая коммерческая фирма по 3D-графике.

1970–1980-е годы: первые 3D-модели и методы

В 1970–1980-х 3D-моделирование активно развивалось благодаря академическим и индустриальным разработкам. В 1971 году Патрик Хэнратти (GM) пишет программу ADAM (Automated Drafting And Machining), на которой основаны многие будущие САПР (Unigraphics, CADDS и др.). Центром исследований становится Университет Юты: именно здесь студенты Эдвин Кэтмолл и Фред Парке в 1972 г. создают первую анимацию 3D-модели руки (визуализация 350-трикутной сетки). В Юте же разрабатываются методы затенения: Анри Гуро (1971) и Буй Тунг Фонг (1973) предлагают алгоритмы гладкого затенения поверхностей – Gouraud и Phong – которые стали стандартами в рендеринге.

Модель «чайника Юты», созданная Мартином Ньюэллом в 1975 г. – одна из первых стандартных 3D-тестовых моделей (сгенерирована с помощью кривых Безье).

Также в 1970-х возникает множество ключевых примеров и инструментов: в 1975 г. Мартин Ньюэлл создал знаменитый «чайник Юты» – простую геометрическую модель чайника, используемую исследователями как тестовый объект . В конце десятилетия появляются коммерческие CAD-приложения: например, первая версия AutoCAD выходит в 1982 г., хотя полноценное 3D-моделирование в ней появилось только в Release 11 (1990). К концу 1980-х закрепляются основные техники: на смену каркасному моделированию приходят поверхностные и твёрдотельные методы (поверхности Безье/сплайны, булевы операции, твёрдотельные ядра).

1980–1990-е: расширение и стандартизация

С началом 1980-х компьютеры становятся доступнее, и 3D-САПР выходит за пределы крупных лабораторий. Появление IBM PC (1981) и UNIX-рабочих станций привело к массовому распространению CAD не только в авиакосмосе и автопроме, но и в коммерческих отраслях . Осенью 1982 г. основана компания Autodesk, выпускающая AutoCAD для ПК. В то же время развиваются мощные инженерные пакеты: в 1981 г. создаётся семейство «тела по параметрам» Romulus/Uni-Solid (Unigraphics) и система поверхностного моделирования CATIA (Dassault). В середине 80-х появляется формат обмена IGES для передачи данных между разными САПР.

К концу 1980-х формируются новые концепции: в 1987 г. выходит Pro/ENGINEER – первый коммерческий пакет, использующий строгое параметрическое моделирование (объекты задаются привязками и параметрами). Появляются библиотеки управления геометрией (ядра моделирования) – например, Parasolid и ACIS (конец 80-х) для работы с топологически согласованными твёрдыми телами. В 1990-е движение продолжилось: появились midrange CAD-системы (SolidWorks 1995, Solid Edge 1996, Autodesk Inventor 1999) и даже первые свободные продукты (Blender начинает появляться в начале 90-х). С распространением Интернета 3D-моделирование получает массовый отклик: любители и профессионалы активно обмениваются знаниями и моделями в сети.

Основные концепции и подходы 3D-моделирования

За эти десятилетия сформировались базовые принципы трёхмерного моделирования. Среди них:

• Геометрические представления: объекты описываются наборами вершин, рёбер и граней (каркасная, поверхностная, твёрдотельная модели). Появились методы булевых операций для объединения/вычитания тел, а также развита топология для построения сложных объектов.
• Параметризация и связи: модели задаются не только координатами, но и параметрами. Например, системы типа Pro/ENGINEER позволяют определять размеры деталей переменными, связанными уравнениями. Это облегчает изменения и автоматическую подгонку геометрии.
• Кривые и сплайны: для сглаженных форм используются полиномы Безье и B-сплайны. Модель «чайника Юты» строилась с помощью кривых Безье. Идеи Безье и Кастельжо из 60-х легли в основу поверхностного моделирования деталей автомобилей.
• Отображение (шейдинг): алгоритмы затенения Гуро (1971) и Фонга (1973) обеспечивают непрерывное распределение света на полигонах. Эти методы впервые позволили моделям выглядеть более реалистично без сильной вычислительной нагрузки.
• Иерархия объектов: Sketchpad впервые ввёл понятие «мастеров» и «экземпляров»: один объект мог служить шаблоном для множества копий, автоматически наследующих его свойства. Это предвосхитило объектно-ориентированный подход к моделированию.
• Модульные ядра: в поздних системах используются универсальные ядра геометрии (Parasolid, ACIS и др.) для работы с 3D-телами . Они обеспечивают точные математические операции над поверхностями и твёрдыми телами и стали стандартом в индустрии.

Таким образом, 3D-моделирование не имеет одного «изобретателя»: его становление – это результат последовательной работы многих учёных и инженеров. От идей Сазерленда в 1963 г. (Sketchpad) и первых CAD-проектов 1960-х (DAC-1, UNISURF) до сложных методик 1990-х (параметрические системы, ядра моделирования) – каждый шаг опирался на предыдущие открытия. Сегодня 3D-моделирование основывается на этих наработках, объединяя классическую математику с современными вычислительными технологиями.