Глава1. Начала: истоки и происхождение Вгусе

О происхождении Вгусе

Представьте себя, читатель, на мгновение паряшим над континентом. Это подходящая отправная точка наблюдения суши, поскольку Вгусе, собственно, и предназначена для создания имеюших естественный вид континентов. По континенту водяными жилками растекаются реки — здесь уместно вспомнить такие крупнейшие реки нашей планеты, как Нил, Янцзы, Миссисипи и Миссури. В основную реку втекают другие, более мелкие, которые питаются притоками. А эти притоки, в свою очередь, существуют за счет ручьев и потоков, питающихся ручейками, стоками, речушками. Крупная речная система со всеми своими ответвлениями охватывает значительную часть континента.

Река Хаос

Описанная выше крупная река назывался Хаос в соответствии с теорией хаоса, а река Вгусе является одним из ее значительных притоков. Вся водная система реки Хаос охватывает обширную территорию многих научных дисциплин. Каждая из этих дисциплин достигла той стадии зрелого развития, при которой она уже может ответить на все очевидные вопросы и решить непростые, т.е. проблемы сложности, беспорядочности и многовариантности повеления, казавшегося ранее неуправляемым. Примером тому могут служить шум, погода, колебания цен на рынке, изменении прироста населения, турбулентность воздушного потока, в частности, траектория движения поднимающегося вверх столбика дыма, немного развевающегося, прежде чем распасться на завитки и клубы, турбулентность потока жидкости, образующего, скажем, пары над чашкой кофе, бури а атмосфере и живом теле, прерывающие нормальную жизнь: аритмия пульсации сердца, фибрилляция и остановка сердца, а также электрохимические бури, нарушающие нормальную деятельность мозга во время приступа эпилепсии.
Всякие научные попытки разрешить упомянутые выше проблемы с помощью основного линейного детерминистского рассуждения типа "если происходит событие А, то его результатом является событие В, в частности, если идет дождь то мокнут земля, здания и находящиеся на улице люди" в данном случае несостоятельны. На самом деле вопрос ставится следующим образом: "Какое условие приводит к результату типа "пойдет дождь"? Можно ли дождь предсказать? Будет ли дождь сегодня? А на следующей неделе? Теория хаоса позволила обнаружить более глубокие закономерности в, казалось бы, случайных событиях.

Фрактальная геометрия: река Мандельбро

Одной из главных составляющих речной системы Хаос является фрактальная геометрия, называемая по имени ее автора Бенуа Мандельбро (Benoit Mandelbroi). Река Мандельбро протекает d том месте бескрайнего простора континента науки, где в плодородной излучине соединяются, подобно Тигру и Евфрату, истоки фрактального хаоса.
Мандельбро — это математик, которого занимали самые разные интересы и предметы: история вопроса колебании цен на хлопок, помехи к телефонных линиях связи и обусловленные ними ошибки передачи данных, закономерности масштабов распространения крупных и малых городов. Он также изучал ряд фигур и форм, изобретенных математиками в конце XIX века и называвшихся "чудовищностями", или " патологическими формами". В работах Мандельбро они нашли конкретное применение и стали менее "устрашающими". Одной такой формой является решето Серпинского (рис. 1.1). Она образована вычитанием перевернутого треугольника из каждой треугольной поверхности пирамиды, в результате чего получаются треугольники меньшего размера (пирамиды). При повторении этого процесса образуются еще более мелкие вышеназванные геометрические фигуры.

Рисунок 1.1 Решето Серпинского, представляющая собой одну из первых "патологических форм"

Более известной считается форма, открытая самим Мандельбро и названная в его честь: множеством Мандельбро (рис. 1.2).

Рисунок 1.2 Множество Мандельбро, названное так в честь математика Бенуа Мандельбро

Благодаря работам Мандельбро и других ученых в области теории хаоса, сложные системы и виды поведения (которые можно обнаружить повсюду в природе) совершенно неожиданно получили описание с помощью относительно простого математического аппарата. В своем научном реферате "Фрактальная геометрии природы" (The Fractal Geometry of Nature) Мандельбро провозгласил следующее: "Ученые, я уверен, с удивлением и удовольствием обнаружат, что ко многим формам, которые они называли зернистыми гидроподобными, промежуточными, угреватыми, рябыми, разветвленными, водорослеобразными, странными, запутанными, извгыистыми, клочковатыми, морщинистыми и т.п., может быть впредь применен строгий и вполне жизнеспособные количественный подход." Новое применение старого математического аппарата привело к появлению новой дисциплины: фрактальной геометрии. Термин "фрактальный" (fractal) происходит от латинского слова, означающего "разделенный" и дополнительно "разбитый на куски" и неровный. Геометрия вообще изучает точки, линии, углы, поверхности и твердые тела, а фрактальная геометрия в частности — геометрические формы, обладающие свойствами неравномерного разделения или фрагментации.
Помимо того что формы оказываются неровными и разбитыми на куски, во фрактальной геометрии они обладают и другими общими особенностями. Так, величина неравномерности фрагментации остается неизменной при изменении масштаба формы. Для формирования фрактальной формы требуется итеративный (повторяющийся) процесс расчета. И, наконец, у такой формы имеется фрактальное (фрагментированное, дробное) измерение.

Масштаб и самоподобие

Основное явление, или неравномерное строение фрактальной формы повторяется независимо от масштаба, и чем глубже эта форма, тем более проявляется ее подобие. Рассмотрим решето Серпинского. Одни и те же особенности, определяющие эту форму, присутствуют во всех ее экземплярах. Это же справедливо и для сложной насекомообразной геометрической формы, названной в честь Мандельбро, причем более мелкие формы находятся глубоко внутри множества Мандельбро. Аналогично и лист папоротника является миниатюрной копией ветви папоротника, рисунки на поверхности обломка скалы повторяются в гальке и камнях скалистого мыса. Именно поэтому фракталы и называются самоподобными: деревья, кровеносные сосуды и реки разветвляются еще дальше, а еще более мелкие отростки, веточки, русла, капилляры и потоки.
Метафора реки выбрана в этой главе благодаря ее свойству самоподобия: в крупном масштабе наблюдается река Хаос, которую питают многие притоки, и среди них в мелком масштабе — река Вгусе, представляющая для нас особый интерес.

Произвольная ходьба - итеративный процесс

  Фрактальные формы образуются с помощью итеративного процесса расчета. Строгий количественный анализ, на который ссылался Мандельбро, отнюдь не столь прост, как расчет 3 + 5 = S. Он, скорее, связан с квадратными дифференциальными уравнениями, с помощью которых определяется изменение во времени. Тем не менее, большие фрактальные неравномерности получаются из одного уравнения с некоторыми начальными условиями. Достаточно подставить в уравнение начальное числовое значение, и получающийся итог становится исходным для расчета следующего уравнения. В результате длинной последовательности подобных расчетов и получается фрактал.
  Рассмотрим простой пример итеративного процесса расчета, не требуюшего (слава Богу) математических формул. Это аналогично произвольной ходьбе. Станьте в определенном месте (отметив, однако, это "определенное" место). Подбросьте монету. Если выпадет орел, сделайте шаг вперед и вправо (под углом около 45 градусов). А если выпадет решка, сделайте шаг влево. Продолжайте подбрасывать монету и шагать дальше, В итоге получается неровная траектория ходьбы, постоянно изменяющая свое направление почти так же, как показано на рис. 1.3.
  Тем не менее, в данном случае возможны и непредвиденные обстоятельства. Вероятность того, что монета будет постоянно выпадать одной стороной, бесконечно мала, поэтому получающаяся в итоге траектория произвольной ходьбы, скорее всего, не будет повторяться. Кроме того, траектория будет иметь один и тот же нелинейный внешний вид. Хотя и можно приблизительно подсчитать длину шага ходьбы, однако она не будет точно соблюдаться каждый раз. Помимо всего прочего, я основе итеративного процесса лежит результат последнего расчета, который служит начальным условием для последующего.

Рисунок 1.3 Произвольная ходьба, траектория которой определяется случайным подбрасыванием монеты. Если выпадет орел, выполняется шаг вправо, а ecли решка - влево.

Дробные измерения

Фрактальные геометрические формы обладают фрактальными, иди дробными измерениями. Мы привыкли к наличию нулевого, одного, двух или трех измерений, что соответствует точке, линии, плоскости и кубу (обладающие большим воображением могут расширить этот перечень до четырех, пяти и более измерений). Однако дробные измерения находятся где-то в пределах между нулевым и первым, первым и вторым, вторым и третьим измерениями. В самом ли деле это дробное измерение? Несомненно. У математиков имеется строгий аппарат точного определения измерения предмета, который мы благоразумно обойдем стороной, предложив взамен довольно скромную аналогию. Рассмотрим траекторию произвольной ходьбы. Похожа ли она на линию? Строго одномерная линия является прямой, причем направление вперед или назад определяется вдоль этой линии. Однако траектория произвольной ходьбы не является прямой линией, хотя и не двухмерной плоскостью. Траектория произвольной ходьбы является линией, однако это нечто большее, чем линия. Подобно одномерной линии, траектория, описывающая произвольную ходьбу, направлена вперед или назад, тем не менее, она извилиста. Она обладает дробным измерением, которое находится между первым и вторым измерениями.
Допустим, у нас имеется возможность наблюдать Землю из космоса. На расстоянии и при малом масштабе она кажется гладкой. Если бы можно было каким-то образом снять кусочек ее поверхности, как кожуру с фрукта, и положить ровно, эта поверхность оказалась бы двухмерной. Однако, как известно, поверхность Земли не является идеально ровной. Она более чем двухмерна, поскольку является плоскостью неровной формы со впадинами и выступами, в то же время она сохраняет асе признаки двухмерной плоскости. Снятая и выровненная земная кора обладает фрактальным измерением, которое находится между вторым и третьим измерениями. Ее форма представляет собой нечто большее, чем совершенно ровная плоскость, иначе как можно было бы увидеть на ней континент срастекающемся жилками водной системой?

Новая река Хаос

  Образование реки представляет собой медленный процесс. Дожди, весенний паводок, просачивающаяся сквозь землю вода и каналы, пронизывающие водоносный горизонт, ищут и находят пути вытекания, протекания, стока и течения в море. Вода пробивает себе путь в каменистой породе и углубляет в ней каналы, унося множество частиц породы, поднимая и перенося осадочные породы на большие расстояния и оставляет их в далеких поймах и дельтах. Работа по образованию русла реки длится тысячелетиями. Хотя реки могут внезапно разливаться, тем не менее, они текут по уже установленному ранее пути.
  Подобно обычным рекам, новая река Хаос сфомировалась за короткий период времени из возникшего лишь в последнем столетии течения. Она образовалась в результате человеческих изысканий и благодаря появлению компьютеров, способствовавших прорытию каналов, водных путей и ручейков. Когда же пошла вода, засохшие тупики научных исследований начали заполняться свежими потоками вдохновения по мере того, как открытия в одной дисциплине- приводили к появлению новых ручейков открытий в другой. Подобно метлам из эпизода "Ученик волшебника" в мультфильме Диснея "Фантазия" (Fantasia), пробудившимся (и умножившимся) для выполнения неутомимой и рутинной работы, на свет появились компьютеры, предназначенные для вычислений, благодаря чему и стало возможным существование реки Хаос.
  Теория хаоса получила дальнейшее развитие в последней трети XX века с появлением различных вычислительных ресурсов: от больших вычислительных систем и рабочих станций университетов и исследовательских >лабораторий до персональных настольных компьютеров. Некоторые русла реки Хаос выли проложены в конце XIX и начало XX веков ручными математическими инструментами. Однако с помощью логарифмических линеек и бесконечных записей расчетов добиться многого было невозможно до тех пор, пока не появились автоматизированные вычисления с выводом на печать. Ведь компьютеры намного лучше справляются с итеративным процессом, чем люди. Вычислительные инструментальные средства позволили выйти из упомянутых выше тупиков и продвинуться дальше.
  Мандельбро работал в исследовательской лаборатории компании IBM (IBM Research Lab), а также в Йельском университете (Yale University); пользуясь имевшимися там вычислительными ресурсами для исследования множества фрактальных форм. Он работал над разновидностью произвольной походки и разработал неровную, пересеченную береговую линию, послужившую впоследствии основанием для создания ландшафта. Вместе с Ричардом Фоссом (Richard Voss) этот математик занимался формированием компьютерных изображений фрактальных гор. Написав компьютерную программу, выполнявшую математические расчеты и отображавшую результат, Мандельбро и Фоссу удалось сформировать геометрическую форму, которая имитировала очертания привычных для нас гор, островов и береговых линий. Таким образом, возникло искусство формируемых компьютером фрактальных ландшафтов.

Приток Масгрэйва

  В 1987 году Мандельбро, работавший тогда на кафедре математики Йельского университета, взял на работу научного сотрудника для создания компьютерной графики, что позволило бы ему продолжить свои занятия фрактальной геометрией. Этим научным сотрудником стал Кен Масгрэйв (Ken Musgrave), который вскоре должен был получить степень магистра информатики в Калифорнийском университете в Санта-Крусе. Тема его работы называлась "Реалистичная модель преломления для компьютерной графики" ("Realistic Model of Refraction for Computer Graphics").
  Уже через две недели после того, как Масгрэйв присоединился к Мандельбро, в нем пробудилось пристрастие к созданию живописных природных ландшафтов. Он пояснил это следующим образом: "Через несколько недель Бенуа уезжал в командировку на несколько дней, и я попросил у него разрешения создать несколько изображений, пока он будет отсутствовать. На это он откровенно ответил: "Кесарю кесарево!", и я воздал должное визуализации изображений. Когда он вернулся, ему настолько понравилось то, что я сделал, что он никогда больше не заставлял меня заниматься чем-то другим," Мандельбро предоставил Масгрэйв полную свободу действий для создания рисунков на основе математического аппарата фракталов, и таким образом тот превратился из помощника в хорошо оплачиваемого художника. Короткий период работы научным сотрудником продлился, и Масгрэйву было предложено защитить диссертацию на соискание степени доктора философии в Йельском университете. В этой диссертации он сосредоточил основное внимание на визуализации живописных ландшафтов на основе фрактальной геометрии. Его диссертация называлась Метод» формирования реалистичных изображений ландшафтов" ("Methods for Realistic Landscape Imaging"), » в 1993 году он получил докторскую степень. Ряд изображений на рис. C1.4 {приведенном на сопровождающем эту книгу CD ROM) являются его работой» рис С1.4а он назвал "своей докторской диссертацией". Помимо разработки дополнительных методов формирования горных видов местности, Масгрэйв уделил основное внимание атмосфере и окружающей среде, а также формированию процедурных текстур для придания этим ландшафтам правдоподобного вида.
  Созданный Коном Масгрэйвом вид искусства возник благодаря тому, что он был ученым, математиком и компьютерным программистом. Он принадлежит к тем избранным, которые называют себя алгоритмиками. Алгоритмики создают оригинальные произведения компьютерного искусства, формируемые с помощью разработанных ими алгоритмов (математических процедур). Масгрэйв предпочитает применять чистый подход, требующий от получаемого рисунка точной визуальной интерпретации его математических теорем (иными словами, при этом не допускается абсолютно никакой последующей обработки!). Наряду с этой строгой, формальной логикой присутствует глубокое почтение к природе.
  Как художник Масгрэйв заявляет следующее: "Мне бы хотелось, чтобы случайному зрителю не бросались в глаза все эти чуждые ему технические стороны творческого процесса. Те, кого это интересуют, могут изучить их в моих научных трудах. Напротив, мне бы хотелось, чтобы зритель стал свидетелем моего глубокого почтения к природе, спокойную красоту которой я обнаружил и постарался изобразить в численном виде с помощью новаторского, невероятного, причудливого процесса, напоминающего византийский стиль, Выражаясь формально, все это похоже на волшебство".

Река Вгусе

Мы проследовали вниз по течению реки Хаос и прошли различные притоки фрактальной геометрии, добравшись до того места, где математические алгоритмы стали применяться для имитации наблюдаемых природных явлений. Река Хаос состоит из большого числа ответвлений, и поэтому, сосредоточив основное внимание на конкретной области, где фрактальная геометрия порождает живописный ландшафт, мы замечаем еще более мелкую сеть ответвляющихся водных путей, напоминающих более крупные. Это и есть история реки Хаос со всеми ее ответвлениями и острыми выступами и водоразделами. История Вгусе развивается параллельно. Это река, которую питают те же самые притоки, что и реку Хаос. Хотя река Вгусе не столь велика, как основная водная артерия Хаос, тем не менее, у нее вполне осязаемое русло, питающееся многочисленными ручейками и речушками. Одним из таких основных ручьев и является приток Масгрэйва, в котором теории хаоса служит для создания живописных ландшафтов.

Приток Масгрэйва, часть 2

  После работы в Йельском университете Масгрэйв был приглашен на один из факультетов университета Джорджа Вашингтона (George Washington University), где он стал доцентом кафедры технических и прикладных наук. Работая в академической сфере, Масгрэйв делал то, что и положено академикам: преподавал и издавал свои труды.
  Академическая жизнь основана на парадоксе: если совершено открытие, значит, его необходимо предать гласности. Однако участвующий в обмене информацией получатель должен доказать, что способен свободно воспользоваться результатами первоначальной работы кого-то другого, затратив немало усилий, чтобы постичь ее суть. Если имеется иное мнение, его следует высказать письменно в собственной работе. Для обсуждения конкретной темы необходимо обладать соответствующей научной подготовкой. Разделял существующий в академической системе принцип выделения людей по их личным достоинствам, Кен с теми же мерками подходил к выбору компьютеров и программного обеспечения. Он воздал должное тем, кто усердно постигал премудрости операционной системы UNIX, обладавшей одним весьма важным преимуществом; устойчивостью. Свое презрение к постоянно выходящим из строя настольным операционным системам, к их совершенной бесполезности Масгрэйв выразил в следующем пылком и гневном высказывании: "Дайте мне настоящий компьютер, на котором может работать настоящая операционная система UNIX!" В самом деле, рабочая станция Silicon Graphics с соответствующей версией UNIX работает устойчиво и без аварийных отказов. Все разработки природных сцен, выполненные Масгрэйвом, были написаны в коде, работающем в режиме командной строки, когда для формирования нового ландшафта ему приходилось перекомпилировать свое приложение, вводя всякий раз новые числовые значения. В отношении компьютерной графики у него был следующий лозунг: "Никаких уступок ненавистному пользователю!"
  Так как же Вгусе стала делом рук этого чудаковатого алгаритмика, математика и художника, который негодовал при одной только мысли о том, что программ и ос обеспечение должно быть удобным для пользователя?
  Полученные Кеном Масгрэйвом результаты, разработанные им алгоритмы и код нашли свой путь к реке Вгусс благодаря проверенной временем академической форме распространения идей: публикации трудов. Результаты трудов Масгрэйва были опубликованы в статьях, книгах и журналах. (Кроме того, значительный вклад в эту область внес еще один ученый — информатик Кен Перлин (Ken Perl in), работе которого " Шум Перлина" ("Perlin Noise") была присуждена академическая премия за достижения в области техники (Academy Award for Technical Achievement). А его имя представлено в Вгусе 4 видом местности, называемым Perlin Hills (Перлинскне холмы).
  Что касается новых достижений в вычислительной технике и компьютерной графике, то для их публикации и представления существует Особая группа по графике в Ассоциации по вычислительной технике (SIGGRAPH АСМ — Special Interest Group for Graphics of the Association for Computing Machinery). На ее ежегодных конференциях, начало которым было положено в академической среде, демонстрируются новейшие открытия в компьютерной графике. То, что вначале выглядит как доказательство новых принципов, приобретает более развитый вид через два или три года, и, возможно, воплощается в программном или аппаратном продукте еще через год.
  Именно на конференции SIGGRAPH появился некто, пожелавший принять вызов и взяться за реализацию свободно предоставленных Масгрэйвом идей о формировании живописных ландшафтов. Этим человеком был Эрик Венгер (Eric Wenger).

Приток Эрика Венгера

  Эрик Вснгер — разработчик программного обеспечения, музыкант и художник из Парижа, посещал конференции SIGGRAPH каждый год. Сын геолога, он вырос с острым ощущением формы Земли и окружающей среды. На конференции SIGGRAPH его внимание привлекли лекции упомянутого выше ученого, применявшего математические алгоритмы для формирования природных сцен. Он слушал эти лекции, читал работы Мандельбро, Масгрэйва и Перлина и усердно постигал изучаемый материал.
  Правильное восприятие скалистых форм и природных свойств у Венгера сочеталось с зорким, наблюдательным взглядом художника. Работая над первым изданием этой книги, Сьюзен Китченс увидела ландшафтный триптих пустыни на американском юго-западе, написанный Венгером. В этих картинах схвачена суть данной местности с обширными котловинами, среди которых разбросаны скалистые плато. Чтобы перенести все эти подробности на холст, их необходимо было увидеть, Венгер соединил свой внимательный творческий подход и зоркий глаз художника с сутью работ Масгрэйва и воплотил все это в программном приложении для Macintosh исключительно ради забавы и самовыражения. Полученный результат он назвал D3, поменяв шутки ради местами символы 3D, поскольку полученный результат сильно отличался от того, который обеспечивало стандартное приложение трехмерной графики.
  Венгер писал программное обеспечение для формирования ландшафтов в качестве побочной задачи, работая в то же время над другими проблемами. Одновременно он занимался еше разработкой программного обеспечения компьютерной графики и живописи под названием Art Mixer. (А после создания Вгусе Венгер основал компанию U&l Software, в которой было разработано приложение MctaSynth, сочетающее изображение и звук, а также приложение Artmatic, объединяющее изображение; звук и прочее.)
  Создавая ландшафтное приложение, он преследовал личный интерес, пытаясь получить возможность растирать и смешивать краски со связующим веществом в электронном виде, с тем чтобы создавать ландшафтные картины на экране. Вместо кадмия, кобальта и окиси хрома Венгер работал с формулами фрактальной геометрии Масгрэйва для формирования пересеченных гористых видов местности. Этим исходным материалом Венгер воспользовался как художник и музыкант, отказавшись от применения исключительно алгоритмического подхода Масгрэйва. Он добавил инструменты из приложения ArtMixer и электронную кисточку для создания вручную гористых форм, а также задействовал возможность открывать изображения, которые можно формировать и над которыми можно работать в графическом редакторе изображений. Из музыки он взял принцип действия синтезаторов звука и соединил его с принципом формирования процедурных текстур Масгрэйва, сформировав ряд элементов управления для образования и редактирования визуального шума, применяемого с целью создания реалистичных поверхностей пересеченных видов местности. Кроме того, он приспособил модель атмосферных явлений и создал элементы управления и регуляторы для настройки источника света, тумана, дымки и облаков. И завершил он этот процесс, применив средство визуализации с трассировкой лучей в качестве вещества, связующего полученную математическим путем "краску" с "холстом компьютерного монитора.
  Это программное обеспечение Вснгер написал самостоятельно, исходя из собственного художественного, наблюдательного взгляда, что и отразилось на результате. Однако для представления новшества широкойаудитории требовалось совершить еще один шаг, поскольку в данный, момент оно сушествовало в виде приложения с минимальным пользоватедьским интерфейсом, которое выполнялось на платформе MAC OS с обширной пользовательской базой.
  Венгер продемонстрировал созданную им программу своему другу Пьеру Бретаньолю (Pierre Breiagnolle), который, в свою очередь, привлек к нее внимание Андреаса Пфайффера ХAndreas Pfeiffer), бывшего тогда редактором самого крупного во Франции журнала SVM Мac посвященного платформе Macintosh. A Пфайффер представил Венгера и его ландшафтное приложение Джону Вильчаку (John Vilczak) и Каю Краyзe (Kai Krause), соучредителям компании MetaTools (которая тогда еще называлась HSC Software, а впоследствии в качестве MetaTools объединилась с компанией Fractal Design и стала называться MetaCreations). Это знакомство переросло в партнерские отношения, в результате чего собственное детише Венгера, созданное на основе работ Кена Масгрэйва и Кена Перлина, приобрело вид, доступный для широкой публики.

Приток в виде пользовательского интерфейса Кая Краузе

  До этого момента программное обеспечение для формирования ландшафтов существовало в виде результата личных исследований математика или личного инструмента художника, созданного на основе этих математических исследовании. Методы формирования ландшафтов носили исключительно личный и слишком уникальный характер и были реализованы в виде интерфейса командной строки и текстового файла либо устаревшего интерфейса с числовыми полями и регуляторами. С появлением нового притока в виде пользовательского интерфейса Кая Краузе созданная Венгером программа позволяла применять ее большому числу пользователей, не писавших самостоятельно программное обеспечение.
  Кай разработал пользовательский интерфейс таким образом, чтобы он вобрал в себя весь огромный вычислительный потенциал на основе мощного математического аппарата и в то же время содержал элементы управления, которые позволяли бы многим, а не только одному пользователю, иметь доступ к возможностям, предоставляемым математическим аппаратом фрактальной геометрии. Таким образом, он создал интерфейс, который дозволял удобно пользоваться эффективными средствами, не вдаваясь в сложные детали. Своим программным пакетом Kai's Power Tools Кай впервые заложил основы новых стандартов на пользовательские интерфейсы, которые обеспечивали многочисленные функциональные возможности и в то же время скрывали лежащий в их основе сложный математический аппарат. Поэтому, продолжая развивать это направление, он начал работать вместо с Венгером над тем, чтобы сделать из Вгусе простое в использовании приложение. В результате созданная им оболочка для Вгусе позволяла начинающему пользователю быстро приступать к работе с предварительно заданным набором палитр и в течение считанных минут создавать новый мир в Вгусе.
  Кай сделал интерфейс трехмерным, чтобы пользователь мог инстинктивно добираться до конкретного элемента управления и находить соответствующую рукоятку для выполнения определенной манипуляции. Палитры разделяют порядок выполняемых действий в соответствии с определенной логической последовательностью. Таким образом, пользователь может перейти к другим палитрам для создания объектов и их редактирования, для разработки атмосферной окружающей среды и визуализации сцены, перемещаясь в то же время по ней с помощью элементов управления камерой.
  Версия 1.0 рассматриваемой здесь программы еще не стала кульминационным моментом динамичного творческого процесса совместного сотрудничества Венгера и Кая (им на помощь пришли Фил Клевенджер (Phil Clevenger) и другие, образовав тем самым компанию MetaToois). Многое еще предстояло сделать. Несмотря на то, что была выпущена версия 1.0, они знали, что в программу следует ввести источники света и возможность импортировать трехмерные модели, созданные в других приложениях. Компания хотела продолжить работу над усовершенствованием оформления интерфейса, чтобы сделать его еще более простым в использовании. Однако настало время остановить процесс разработки, подвести черту и сказать себе: "Вот что у нас получилось. Предадим это гласности. Выпустим Вгусе в свет." Таким образом, была выпущена первая версия Вгусе. Интерфейс версии Вгусе 1 приведен на рис. 1.5.
  Итак, Вгусе прошла в своем развитии путь от относительно новой области науки и математики до личного представления художника, музыканта и компьютерного программиста (коему не могло быть никаких уступок как ненавистному пользователю) и до разработок законодателя моды в пользовательском интерфейсе, т.е. от математической идеи до программы, которой мог пользоваться любой обладатель компьютера Macintosh (самые быстрые его процессоры 6840 Quadra Mac были эквивалентны 486-м процессорам на ПК). Таким образом, версия Вгусе КО была выпущена в продажу в июле 1994 года. Визуализация в ней выполнялась бесконечно долго. В связи с этим возник термин "медленное программное обеспечение" (sleepware), отражавший большую продолжительность визуализации: достаточно было создать сцену, установить режим ее визуализации на всю ночь и проснувшись на следующий день, посмотреть, что же получилось. Вскоре после этого Вгусе была перенесена на выпушенные незадолго до этого компьютеры PowerPC, позволивши этой программе и ее пользователям воспользоваться значительно возросшими в ычислительными мощностями.


Рисунок 1.5 Интерфейсы Вrусе а). Вгусе1; б).Вгусе2; в). Вгусе3D и Вгусе4

Продолжение разработки

Разработка Вгусе продолжалась по пути вычеркивания пунктов из списка "неотложных дел", а также удовлетворения потребностей пользователей (типа "Мы хотим большего!") и быстроразвивающейся технологической компании.

Версия Вгусе 2 для Macintosh

Разработчики руководствовались желанием улучшить программу. Поэтому в версии Вгусе 2 появилось множество новых свойств. Венгер работал над введением примитивных форм, новых атмосферных свойств, отдельных источников света, булевских операций, дополнительных алгоритмов обработки местности, намного более эффективного способа объединения текстур для получения более сложных и реалистичных поверхностных материалов, а та е возможности формировать произвольные многогранные камни и импортировать трехмерные модели. В то время как Венгер занимался разработкой новых свойств, Краузе и Клененджер принялись за передедку пользовательского интерфейса на основе самой Вгусе (см. рис. 1.5б). Шри Котэ (Sree Kotay) реализовал изменения в интерфейсе, введя множество собственных штрихов в сглаженные каркасы что придало им дополнительную глубину), более эффективные процессы визуализации, режим Solo, а так>же сделав самый главный свой вклад, заключавшийся в разработке совершенно нового редактора местности(Terrain Editor). Тодд Богдан (Todd Bogdan) оказал помощь в программировании дополнительно реализованных элементов интерфейса. Брайан Вагнер (Brian Wagner), который пришел в компанию после работы над Pixel 3D (приложением для формирования на платформах Amiga и Windows трехмерного текста и форм, хотя оно применялось главным образом для преобразования в различные форматы файлов трехмерной гра фики), написал модули импортирования файлов трехмерной графики для версии Вгусе 2.1. Разработчики Вгусе ввели новые свойства буквально в каждый элемент Вгусе, сделав эту программу намного более эффективной и в то же время сохранив общий принцип простоты и занимательности применения этого приложения. Таким образом, они продолжили сложившуюся в Вгусе традицию создания программного обеспечения с душой.

Версия Вгусе 2 для Windows

  После выпуска версии 2.1 для Macintosh была выпушена в марте 1996 года, а 2.1 — в июле того же года) разработчики принялись за следующий этап реализации своих планов в отношении Вгусе. Теперь перед ними встал вопрос: куда двигаться дальше? Следует ли сделать Вгусе межплатформным продуктом?Следует ли ввести в Вгусе возможность анимации? На оба указанных выше вопроса можно было бы с воодушевлением ответить утвердительно, однако в действительности необходимо было решить следующий вопрос: "Что следует сделать в первую очередь?" И тогда было решено, что далее необходимо перенести Вгусе на платформу Windows, а для этого следовало переписать ее код, используя собственные графические библиотеки Axiom этой компании. Библиотеки Axiom допускали дальнейшую межплатформную разработку уже на данном этапе, поэтому анимационная версия могла быть написана одновременно для обеих платформ Macintosh и Windows.
  В технической задаче переноса версии Вгусе 2 на платформу Windows нет ничего героического: хотя эта задача и рутинная, тем не менее, вполне выполнимая. Однако времени на это уходит, к сожалению, ужасно много, по меньшей мере, от трех до шести месяцев.
  Для разработки версии, предназначенной для Windows, требовались опытные разработчики программного обеспечения Windows, поэтому в группе разработки версии Вгусе для Windows появилось много новых лиц. С этого момента Эрик Венгср уже не был непосредственно вовлечен в разработку Вгусе. Всеми работами руководил бывалый участник группы разработки версии Вгусе 2 для Macintosh Тодд Богдан по прозвищу "Богдог". Он написал весь код, связывавший базовые свойства с элементами управления пользовательского интерфейса. К Тодду присоединился Брайан Вагнер, который переписал с самого начала модуль визуализации с трассировкой лучей, а это коснулось всего, что связано с интерпретацией материалов, и в итоге получились замечательные эффекты в стекле.   Кроме того, Хессан Чайчиан (Hcssan Tchailchian) приступил к работе над редактором местности, который был завершен Алещем Холечеком (Ales Holecek). Алеш внес также свой вклад в создание новых процедур оптимизации, взяв за основу собственную магистерскую диссертацию, защищенную в Чешском техническом университете (Czech Technical University) в Праге. Джон Тсррел (John Terrel) работал над кодом для рисования объектов на экране и внутренней базой данных, в которой регистрируются все объекты и их местонахождение в Вгусе, и частично над программным обеспечением для определения "попадания" луча от средства трассировки лучей в объект во время визуализации (все упомянутые здесь понятия подробнее будут рассмотрены в других частях этой книги). Редактор насыщенных текстур (Deep Texture Editor) был перенесен на платформу Windows Полом Каттроном (Paul Cat(rone) и Тоддом Богданом. Группа разработчиков трудилась по 16 часов в день, что, похоже, стало нормой в данной среде, по семь дней в неделю в течение семи длинных (и в то же время коротких) месяцев.
  Версия 2 для Windows была выпущена в сентябре 1996 года, ее удалось завершить в рекордно короткий срок. Однако программа не была доведена до конца и работала неустойчиво. Она была встречена криками возмущения со стороны воодушевленных было пользователей Windows, когда те, довольно долго завидуя своим коллегам, работавшим на компьютерах Macintosh, теперь с ликованием пытались загрузить программу на своих компьютерах с ОС Windows. Вместо того чтобы приобщиться к чудесному, они столкнулись с изобилующими сообщениями об ошибках типа General Page Fault (Общее нарушение страничного обмена), зависаниями и таинственным поведением программы. Несмотря на факт выпуска версии Вгусе 2.0 для Windows, она просто не была еще готова для широкого употребления. Если сравнивать историю развития Вгусе с рекой, то события, окружавшие разработку Вгусе для Windows, можно назвать быстринами, чреватыми опасностями. Здесь уместно вспомнить о самоподобии реки Хаос со всеми ее притоками, чтобы ближе присмотреться к реке Вгусе и ее притокам, одним из которых является резво текущий ручей технологической компании, занимающейся разработкой программного обеспечения. О притоках, питающих этот конкретный ру-чей| или, точнее, наполняющих его, можно прочитать в любом Web-ориснтированном или печатном издании, следящим за деятельностью высокотехнологичных компаний, особенно тех из них, которые недавно появились на общественных рынках. Мы не будем вдаваться здесь в подробности этого явления, однако в предисловии к предыдущему изданию этой книги Кай Краузе сдержанно, но красноречиво подытожил: "Распределение сроков на квартал действует безжалостно."
  Одним из вопросов, которыми занимается теория хаоса, является поведение турбулентности, когда жидкость или воздух движутся с большей скоростью либо когда два потока жидкости соединяются вместе. В данном случае поток программного обеспечения, получившего развитие в результате личных занятий его создателя, столкнулся с потоком требований пользователей, каждому из которых хотелось бы получить нормально и устойчиво функционирующую программу. Все упомянутые выше недостатки сошлись, в свою очередь, с корпоративным потоком, который должен постоянно листать собственный доходный поток (в прямом смысле этого слова). Эти разные притоки сошлись вместе в пенящийся водоворот, и Вrусе завертело в стремительном потоке противоборствующих сил, Страсти несколько поутихли с выпуском, версии В гусе 2.1 для Windows в начале 1997 года, поскольку программа работала и наконец-то появилась возможность ощутить волшебство ландшафтов.

Версия Вгусе 3D

Следующему основательному пересмотру подвергся код версии 2.1 для Windows, которая в своей основе была межплатформной. Это было сделано для введения давно ожидавшейся и весьма желанной возможности — анимации. Цель в данном случае преследовалась та же, что и при внедрении в Вгусе других усовершенствований: предоставить свойства которые сразу же станут простыми а использовании и вместе с тем будут способны обеспечить доступ к более глубоким уровням детализации для более подготовленных пользователей. В то же время, какой бы вид интерфейс ни принял, он должен быть согласован с видом интерфейса версии Вгусе2. Введение времени в качестве четвертого измерения потребовало основательных изменений в базовых функциях приложения. Если раньше вое работало на создание неподвижных изображений, то теперь почти каждое свойство программы должно было изменяться во времени. Для этого подверглись тщательному пересмотру иерархические связи, точки начала отсчета и средства отслеживания объектов и камер. Кроме того, возник вопрос: каким образом представить время в приложении. Для этого была введена временная шкала (см. рис. 1.5в). В третьей основной версии Вгусе приложение подверглось тщательному пересмотру еще и для того, чтобы внедрить четвертое измерение буквально в каждый элемент, уже существовавший в трех измерениях.
Кто же воплотил в жизнь анимационную версию Вгусе? Пользовательским интерфейсом занимались Роберт Бэйли (Robert Вally) и Джексон Тинг (Jackson Ting). А Тодд Богдан связал базовые функции с интерфейсом. К нему присоединились из группы разработчиков Брайан Вагнер и Алеш Холечек. Вагнер написал модули визуализации, материалов, небесных явлений с полным набором новых атмосферных и астрономических явлений, о том числе радугу, кометы, настраиваемые солнечные и лунные фазы, взаимодействие между солнцем, цветом дымки и объемной атмосферой. А Холечек, продолжая работать над редактором местности, написал весь анимационный код. К ним присоединились Джон Террел, который работал над общими свойствами редактирования, а также Моэ Дусс (Мое Doucci) и Шри Котэ, написавший модуль отображения в реальном времени (Srcc3D). Для подключения к интерфейсу базовых функций анимации к Толду Богдану присоединился Джош Бэйтс (Josh Bates). Они вместе реализовали новую анимационную палитру в виде лаборатории развитого движения (Advanced Motion Lab), а также переделали лабораторию материалов (Material Lab) и редактор насыщенных текстур (Deep Texture Editor): Анимационная версия Вгусе, окрещенная "3D", была выпущена в конце 1997 года. Это событие произошло на фоне все еще бушующих вод, в которых разработка программного обеспечения, осуществлявшаяся с привлечением всех наличных ресурсов и полным напряжением сия, сочеталась с корпоративным давлением, требовавшим продавать сейчас, а не потом. При стольких честолюбиво внедренных новых свойствах программа требовала обновляющей заплаты для достижения необходимой устойчивости работы. Поэтому шесть месяцев спустя была выпущена заплата, обновлявшая исходную версию Вгусе 3D до версии 3.1 и обеспечивавшая устойчивость работы (и, естественно, ряд новых замечательных свойств).

Версия Вгусе4

  Версия Вгусе 4 содержит существенные изменения по сравнению с двумя предыдущими версиями в том отношении, что разработчики могли теперь позволить себе роскошь возводить конструкцию на прочном основании, а не пересматривать большую часть программного обеспечения и перестраивать все с самого начала. Сохранив в целости основную форму программного обеспечения, разработчики развернули Вгусе лицом к внешнему миру, с тем чтобы эта программа могла взаимодействовать со множеством других приложений и их форматами файлов трехмерной графики. В папке подключаемых модулей Plug-ins, входящей в состав Вгусе, содержится множество модулей импортирования и экспортирования. И главное не только в том, что это довольно полный набор модулей, а в том, что это модули экспортирования. В ответ на настойчивые просьбы пользователей в Вгусе4 наконец-то появилась возможность экспортировать геометрические формы местности, с тем чтобы, созданные в Bryce горы могли быть перенесены в другие приложения трехмерной графики. Наличие более сильного набора подключаемых модулей импортирования и экспортиртирования послужило основанием для возможного создания комплекта разработки подключаемых модулей Bryce (хотя такие перспективы довольно сомнительны по причинам, рассматриваемым ниже).
  Помимо введения модуля экспортирования местности в Вryce4 подверглись дальнейшему усовершенствованию небесные явления. Небесные свойства, которые в Вгусе 3D были втиснуты в тесное диалоговое окно, объединены в Вгусе 4 вместе с новыми атмосферными свойствами, элементами точного числового управления и новым режимом предварительного просмотра. Теперь они образуют лабораторию небесных явлений (Sky Lab). Для лучшего управления анимацией, визуализации и воспроизведения кадров анимации, а также для перемещения к любому кадру с помощью его миниатюрного изображения был введен режим предварительного просмотра раскадровки. В редакторе местно-стм предоставляется 26 дополнительных фрактальных типов местности, а в редакторе насыщенных текстур несколько новых видов шума. И, наконец, для объектов может быть назначена Web-ссылка, а кроме того, существует возможность непосредственно экспортировать из самой Вгусе панорамные фильмы в формате QTVR, а также фильмы в формате QuickTime. Разработкой версии Вгусе 4 руководили Брайан Вагнер и Алеш Хояечек, которые помимо повсеместного внедрения множества мелких новшеств работали соответственно над лабораторией небесных явлений и модулем экспортирования местности. Джексон Тинг разработал интерфейс для лаборатории небесных явлений и модуля экспортирования местности. К ним присоединился Кен Масгрэйв, работавший над завершением алгоритмического обеспечения Вгусе. (Он все же пошел на одну уступку ненавистному пользователю, приняв участие в разработке ландшафтного приложения, предназначенного не только для него самого, но и для многих пользователей!). В то же время Сэм Коронити (Sam Coroniti) работал над завершением подключаемого модуля импортирования и экспортирования для данного приложения. Джош Бэйтс, как всегда, занимался хорошо известным ему подключением к интерфейсу, а также режимом предварительного просмотра анимации, а Пол Капрон принимал участие в реализации интерфейса.
  Версия Вгусе 4.0 была выпушена в конце марта 1999 года в намного более прочном и устойчивом состоянии, чем предыдущие версии Вгусе х.0. А еще через шесть без малого месяцев была выпушена заплата, обновляющая до версии 4.0.1, однако особой необходимости в ней по сравнению с другими обновляющими заплатами не было.
  На данном этапе развития Вгусе как программа работает более устойчиво и надежно и заметно пополнилась новыми свойствами. К ее созданию приложили руки многие люди, так что реку Вгусе питает множество разных ручьев, потоков и притоков.
  В конце 1999 года направление деятельности компании MetaCreations резко изменилось: компания отказалась от дальнейшей разработки всех своих графических программных продуктов, в том числе и Вгусе. А в апреле 2000 года Вгусе была приобретена компанией Corel из Оттавы в Канаде. Каковы же перспективы разработки этой программы? В связи с тем, что группа разработчиков Вгусе 4 распалась в результате последовавших отставок, увольнений или переходов на другую работу, вопрос будущности этой программы остается открытым. Не будем гадать на кофейной гуще зная, что всякие прогнозы могут стать недостоверными с наступлением реальных событий. Ведь изложить историю развития Вгусе задним числом легче, чем предвидеть дальнейшую судьбу этой программы. К счастью для пользователей Вгусе, версия 4.0.1 работает устойчиво, и теперь имеется возможность подробнее проанализировать ее внутреннее содержание.

Почему, собственно, "Вгусе"?

  Итак, почему эта программа называется Вгусе? В южной части штата Юта находится национальный парк, называемый Каньон Брайс ('Вгусе Canyon) (рис. С. 1.6 на сопровождающем эту книгу CD-ROM). В этом парке расположены фантастические столбчатые образования, называемые эрозионными столбами, или "шаманами", которые сформировались в результате эрозии, происходившей тысячелетиями. Эти образования выглядят подобно причудливым изображениям, причем многие из них названы в соответствии с мифами, легендами и образами, навеянными их формой.

  На самом деле каньон Брайс таковым не является. Это край кратера вулкана, снижающийся до глубокой впадины. Большая высота (более 2400 м) и высокий уровень осадков обусловливают наличие снега и отрицательных температур в течение большей части года. Вследствие постоянного замерзания и таяния в течение всего дня вода пробивает себе путь в горных образованиях и расширяет замерзающие участки в каменистых расселинах. В дневное время растаявшая вода стекает, увлекая за собой мелкие частицы каменистой породы. Этот процесс и приводит к образованию расселин и эрозионных столбов. Игра света на этих горных образованиях ранним утром и поздним вечером создает впечатляющие виды, открывающиеся взору наблюдателя. Спустившись с края кратера, можно совершить прогулку среди высоких эрозионных столбов, заполнивших эту страну чудес, полную открытий, пробуждающих воображение.
  Каньон БраЙс — это созданное природой таинственное место. Именно поэтому программе Вгусе, которая позволяет создавать собственные фантастические творения, и было присвоено название этого парка. Это программа, предоставляющая возможность создавать собственные ландшафты — личные видения тайн и чудес.

Чувственный опыт

  Упомянутые выше видения тайн и чудес являются неотъемлемой частью опыта работы в Вгусе. Однажды, еще на раннем этапе истории Вгусе, когда Сьюзен Китченс выпала возможность поработать бок о бок с Эриком Венгером, речь зашла о самой программе и ее успехе. Он спросил: "В чем причина такой популярности этой программы?" На это она ответила не колеблясь: "Это связано с чувственным опытом, который дает работа с ней." И действительно, работа в Вгусе захватывает и быстро входит в привычку. Начиная с первого щелчка на пиктограмме Create Terrain (Создать местность) в палитре создания объектов (Create Palette), наблюдения процесса эрозии, разворачивающегося перед пользователем в редакторе местности, настройки вида облаков и дымки, удовлетворения от правильного выбора внешнего вида поверхности, преодоления затруднений или отыскания новых путей решения конкретной задачи, и кончая тем очарованием, которое вызывает появление все большего числа деталей на каждом последующем шагу визуализации — все это в сущности приносит удовлетворение от творческого процесса во время работы в Вгусе.
  По зрелом размышлении можно прийти к заключению, что помимо чувственного опыта работа в Вгусе дает нечто большее, а именно: эта программа и компьютер предоставляют пользователям возможность создавать творения, которые имитируют нашу природную среду. И это главное, поскольку мы относимся к обитающему на этой планете виду, наделенному способностью создавать среды, отображающие места, которые окружали каждого из нас с молодости. Ведь это наша среда обитания, наш мир. Возможность включить компьютер, дважды щелкнуть на пиктограмме приложения, а затем выполнить щелчок и перетаскивание еще несколько раз и увидеть, как та же самая окружающая среда появляется на экране компьютера, просто поражает, как настоящее чудо! Кроме того, работа с этой программой приучает нас, обитателей этой планеты, пристальнее всматриваться в окружающий мир. Если верно бытующее у художников мнение о том, что рисование состоит не в опытности руки, а в умении видеть, тогда работа в Вгусе развивает о нас умение видеть окружающую среду. Работа в Вгусе и наблюдение окружающей обстановки взаимно дополняют друг друга и развивают опыт.
  Еще одним аспектом, который превращает работу в Вгусе в чувственный опыт, является тот факт, что эта программа позволяет приспосабливаться к творческому процессу {например, к работе художника). С самого первого варианта пользовательского интерфейса этой программы, созданного Каем Краузе (а затем усовершенствованного Филом Клевенджером, Робертом Бэйли и Джексоном Титом), возникло ощущение, будто работаешь со скульптурой или картиной. Это настоль>ко восхитительно, что некоторые сравнивают данное ощущение с состоянием "дзен". И это действительно так, хотя после выпуска четырех версий пользователи набрались опыта, и теперь программа кажется им отнюдь не идеальной, а некоторые даже считают, что ее интерфейс, скорее, мешает, чем помогает работать. Если добавить к этому постоянно возрастающие вычислительные мощности, то предыдущие разработки могут действительно превратиться в препятствия. То, что было фантастическим нововведением две версии назад (например, размещение редактора местности на площади 640 х 480), теперь уже служит препятствием, ведь размеры наиболее часто применяемых мониторов увеличились, а площадь отображения полотна осталась без изменения.
  Тем не менее, Вгусе дает пользователю возможность работать с фрактальными геометрическими формами как художнику, а не математику, и при этом формировать изображения или виды анимации, которые поразительным образом напоминают наш мир либо со>вершенно иной чужеродный мир и в то же время сохраняют достаточную перспективу и форму суши, не теряющую правдоподобия. Итак, будучи увлеченными потоком рек Хаос и Вгусе, а также различными их притоками, мы достигли, наконец, программного приложения в котором нам предстоит работать и экспериментировать.

Переход к следующей теме

А теперь отвлечемся от истории создания Вгусе как программы и обратим все свое внимание на то, как в Вгусе рождаются творения. В следующей главе представлено подробное введение в эту программу и более детально рассмотрен творческий процесс, являющийся неотъемлемой частью работы в Вгусе.