撰文 | 小庄

可能看过1991版《美女与野兽》的同学会对里面一只美丽的茶壶有印象，它也出现在了先导海报中，有着金色的花纹，还绘着美女的头像，从各方面来看，都是技艺精湛的一只工艺品。

无独有偶的是，1995年的第一部《玩具总动员》里面也有一只粉色盖盖的茶壶，这个比较简洁朴实，看起来是没有怎么上釉彩的一只。

如果你认为这只是场景需要或者巧合的话，那就错了。事实上，这两部著名动画片都是在向一个计算机图形科学史上的著名对象——犹他茶壶——致敬。同样的致敬也出现在了许多文艺中青年特别喜爱的一部经典动画连续剧《辛普森一家》中，不过不是以茶壶的形象，而是荷马·辛普森的那只便便大腹——

“犹他茶壶”（Utah Teapot）是最早被用于使用数学曲线而非多边形建模的3D模型之一，它的开发者叫做马丁·纽维尔（Martin Newell）。1974年，这位老兄在犹他大学攻读他的博士学位，该校是1970年代计算机图形学发展的重要场所，由于两位重量级计算机科学家戴维·埃文斯（David Evans）和伊万·萨瑟兰（Ivan Sutherland）的到来，他们一下子跻身为世界领先的计算机图形学研究中心。

 

同一时期的学生中有很多厉害人物（我们待会儿会讲到），马丁非常担心自己毕不了业，有天在和妻子桑德拉一起喝茶的时候，他聊到自己现在的论文中缺乏一个好用的三维建模对象，之前采用的甜甜圈或棋子这种过于简单，无法达到理想的贝塞尔工具测试效果，桑德拉指了指摆在他们面前的Melitta茶壶，说何不试试这个。

 

这个提醒可谓醍醐灌顶，没错儿，未经修饰的白色茶壶具有曲线和反射表面，既简单得易于处理，又足够富有挑战性。马丁当即决定就用它了，抓起一支笔就用草图把其特征描绘了下来。回到实验室，他对茶壶进行了一系列漂亮的建模，同时还创建了一个带有茶碟的杯子和一个勺子模型。他的同事吉姆·布林（Jim Blinn）也被这个茶壶所吸引，参与进来对其高度做了调整，使得它更平了一些，就这样，独一无二的犹他州茶壶诞生了。

Martin Newell最初绘制的犹他茶壶特征草图

 

接下来，纽维尔和布林公开分享他们的模型。这个出产于德国德累斯顿、出售于美国盐湖城一家百货商店的茶具，不仅拯救了纽维尔博士的论文，也惠泽了其他同行，很快传开来被同一领域的研究人员纷纷所采用。这是因为在学科发展的早期，还没有3D建模程序，而犹他茶壶模型的出现，意味着所有内容都可以通过手工数字化或在方格纸上草绘，并使用文本编辑器输入数字，于是它成为一个流行图像。此外，壶嘴和手柄形状也是渲染和基准测试的好对象，茶壶和其他许多家居用品最大的不同点在于，其模拟表面看上去很逼真，不需要叠加人造的纹理图案，这使得它一直被沿用下来，如今的3D Max软件中还能找得到它的身影。动画师Tom Sito就曾言 “任何对渲染和照明有新想法的人都会首先在茶壶上试用。”而历史学家Cyrus CM Mody和Michael Lynch把犹他茶壶称为“测试对象”：一种用于测试实验者和实验，从而帮助创造新知识的对象。

 

茶壶的真身迄今还珍藏在加州山景城的计算机历史博物馆中。

为了纪念这只茶壶对学科的贡献，近几年来，犹他大学每年都会举办茶壶渲染大赛，由该校计算机系的副教授Cem Yuksel组织，竞赛对所有参加了“ 射线追踪渲染”（CS 6620）课程的学生开放，参赛选手们要展示自己用软件绘制的原始场景，并以令人缭乱的视觉效果来渲染犹他茶壶！他们可以和其他人一起准备场景和相关艺术品，但必须自己编写渲染软件。

 

比赛中也收到了许多有趣的作品，有的参赛选手还乐此不疲地参加了好几届，并且都取得了好成绩，如2014年-2016年的优胜奖都被一位叫做Laura Marie Lediaev的学生给蝉联了，她对于玻璃质感茶壶表面的把握可谓出神入化。

 

 

我还比较喜欢2015年的一个班级最佳奖和学生选择奖，是由Venkata Kushal Ponnam和Victor Castro两人合作完成的，先几何建模后用V-Ray软件进行渲染，看上去非常有禅意。

2015年“犹他茶壶渲染大赛”学生选择奖，创作者Venkata KushalPonnam/Victor Castro

 

他们还做了另一个更富透明质感的版本，如下——

好，回过头来简单说一下纽维尔同时期的其他牛逼人物，这个环节非常必要，因为正由于这一批人的存在，才会使得包括犹他茶壶在内的一系列模型如此风靡于世。在茶壶之前，1967年的大众甲壳虫（Volkswagen Beetle）模型是有史以来第一个在物理上创建的3D模型对象，由计算机图形学先驱伊万·萨瑟兰所创建。他带领的团队开发了最早的3D显示算法和多边形映射技术以逼近复杂的曲面，通过多边形映射到实际的实际甲壳虫的表面上，然后测量每条线，并将数据输入计算机程序，从而生成世界上第一个汽车的3D线框模型。

 

甲壳虫项目的学生小组中包括了许多对这个领域影响至关重要的关键人物，他们是后来的Adobe联合创始人约翰·沃诺克（John Warnock）、皮克斯动画联合创始人埃德·卡特姆（Ed Catmull）和面向对象编程环境语言的发明人之一，也是面向对象编程思想的创始人之一阿伦·凯（Alan Kay）。

 

1972年，艾德·卡特姆曾经以自己的手为参照物，在计算机中创建了一个模型，能够用来模拟各种动作，这是电脑动画制作的雏形，对皮克斯后期的创作起到了奠基性的作用。有趣的是，皮克斯开发的渲染软件RenderMan中也大量采用了犹他茶壶，他们会在一年一度的美国计算机协会计算机图形专业组大会上赠送最新版的步行茶壶玩具，这成了一个传统。

 

正如未来学家、MIT媒体实验室的创办人尼古拉斯·尼葛洛庞帝（Nicholas Negroponte）所言：预测未来的最好方法就是发明它，这批计算机图形学的领军人物，恰恰就是让这种发明在人们眼前变得立时可见的先驱。

 

参考文献

 

https://simplymaya.com/sm-news-articles/74/why-is-there-a-teapot-in-3ds-max?

 

https://spectrum.ieee.org/geek-life/history/behold-the-worlds-most-famous-teapot

 

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

 

https://www.atlasobscura.com/articles/utah-teapot

 

https://graphics.cs.utah.edu/history/utah_teapot.php

 

https://www.victorcastro3d.com/2016/01/teapot-rendering-competition.html

 

本文经授权转载自微信公众号“科学艺术研究中心”。