De Geschiedenis van Interactieve Computergraphics - Deel 1

1824: De Thaumatroop

De allereerste vorm van animatie kwam pas rond 1824. De Engelse natuurkundige John Ayrton Paris bedacht toen (samen met W. Phillips) een methode om te bewijzen dat een visueel beeld altijd even ‘op ons netvlies blijft hangen’. Hij wilde dit bewijzen door twee afbeeldingen elkaar met hoge snelheid te laten afwisselen zodat de illusie ontstond dat ze elkaar overlapten alsof het dezelfde afbeelding was.

In 1825 werd dit onder de naam ‘Thaumatroop’ commercieel geregistreerd en op de markt gebracht als een schijf, vastgemaakt aan twee touwtjes, waarop aan beide kanten een afbeelding staat. Als je de schijf met de touwtjes ‘opwond’ door de schijf vaak om te wentelen en de touwen elkaar te laten verstrengelen en vervolgens de touwtjes ineens aantrekt zodat de schijf snel begint te draaien, wisselden de beide afbeeldingen elkaar snel af en leken deze elkaar te gaan overlappen. Als de ene afbeelding een kooitje is en de andere een vogel ontstond bij draaien de illusie dat de vogel in de kooi zat. Door de techniek van het wikkelen van de touwen kon je zelfs een simpele animatie laten ontstaan, bijvoorbeeld een ruiter die van het paard werd gegooid.

Dit werd al snel een populair speeltje dat veelvuldig door anderen werd gekopieerd en goedkoper op de markt werd gebracht. Er waren ook mensen die beweerden dat zij dit idee al eerder hadden bedacht.

1832: De Fenakistiscoop

Nu de techniek bekend is van het afwisselen van twee frames was de baan vrij voor het ontwikkelen van apparaten die meerdere frames kunnen afwisselen en zo een animatie vormen.

De Belgische natuurkundige Joseph Plateau was als student gefascineerd door het gegeven dat tegen elkaar in draaiende wielen over elkaar gezien stil lijken te staan of een tegengestelde beweging kunnen laten zien. Hij ging zich hier verder in verdiepen en communiceerde hierover ook met de Britse wetenschapper Michael Faraday (ja, die van de Kooi van Faraday). Hij kwam rond eind 1832 met zijn uitvinding, die aanvankelijk was bedoeld als optische illusie: de Fenakistiscoop. Dit is een schijf met daarop getekende afbeeldingen die elkaar bij ronddraaien afwisselen waardoor een vloeiend bewegende animatie ontstaat. De Oostenrijkse professor Simon von Stampfer kwam omstreeks dezelfde tijd met een soortgelijk idee, maar lijkt daarbij toch behoorlijk te zijn geïnspireerd door de papers van Plateau.

Later ontstonden ook andere varianten op dit principe, zoals een apparaat waarbij de afbeeldingen van een ronddraaiende cilinder via spiegels in het midden naar de gebruiker werden geprojecteerd als een animatie.

De Fenakistiscoop is dus het eerste apparaat dat daadwerkelijk een animatie weergeeft zoals wij dat nu nog steeds doen: met wisselende frames. Ook dit apparaat werd al snel een populair speeltje in Europa en werd ook onder andere namen uitgebracht, zoal de Stroboscoop en de Fantascoop.

1854: Booleaanse algebra

In 1847 introduceerde de Britse wiskundige George Boole in zijn boek ‘The Mathematical Analysis of Logic’ voor het eerst het algebraïsche systeem van logica. Oftewel rekenen met waar (één) en onwaar (nul) (true en false). In 1854 kwam hij ook met een paper waarin hij beschreef wat wij nu kennen als Booleaanse algebra.

Booleaanse algebra is uiteindelijk een belangrijke basis geworden voor de ontwikkeling van digitale elektronica en dus computers jaren later. Alleen wisten ze dat destijds nog niet.

De basis-operaties van Booleaanse algebra zijn AND, OR en NOT. Met deze eenvoudige operaties kun je de uitkomst van een circuit van parallelle en seriële beslissingen berekenen. Zo kun je bijvoorbeeld berekenen of een lamp aan gaat als je bepaalde schakelaars in het circuit in- of uitschakelt. Met deze algebra wordt ook nu nog altijd gewerkt in computer-hardware en programmeertalen.

1868: De Kineograph

Ondertussen boekte men op het gebied van animatie behoorlijke progressie. In september 1868 patenteerde de Britse drukker John Barnes Linnett zijn uitvinding De Kineograph onder de projectnaam ‘Improvements in the means of producing optical illusions’. Het idee bestond uit het snel bladeren door vellen papier waarop frames getekend staan. Tegenwoordig noemen wij dit een flip book.

De Kineograph, wat staat voor bewegend beeld, is de oudst bekende vorm van flipbook zoals wij die kennen en was de eerste manier van een lineaire (in plaats van circulaire) opeenvolging van afbeeldingen om een animatie te vormen. Het principe dat we ook nu nog gebruiken voor het produceren van bewegend beeld voor films was hiermee dus geboren.

1877: De Praxinoscoop

Er zijn meer apparaten geweest die hebben bijgedragen om hier te komen en het zou een lang blog worden als ik ze allemaal zou benomen, maar deze vind ik zeker noemenswaardig. Dit apparaat is een belangrijk knooppunt in de geschiedenis, want hierbij werden de principes van het projecteren van licht (De Toverlantaarn) voor het eerst gecombineerd met het maken van animaties met frames (De Kineograph). De allereerste projector die bewegend beeld gaf was geboren: de Praxinoscoop.

En alleen al vanwege deze bijzondere benamingen voor deze uitvindingen moet je wel van deze geschiedenis gaan houden!

De Praxinoscoop was uitgevonden in 1877 door de Franse wetenschapsleraar Charles-Émile Reynaud en bestond uit een ronddraaiende cylinder met aan de binnenzijde de animatie-frames als afbeeldingen die, belicht door een lamp, via spiegels en een lens als animatie op een muur werden geprojecteerd.

Je vraagt je haast af hoe het zo lang heeft kunnen duren om de nieuwste animatietechnieken te combineren met de uitvinding van de projector die al 223 jaar eerder was uitgevonden. Ach ja, er was toen ook nog geen internet om nieuwe ideeën snel uit te wisselen en samen slimmer te worden. Maar nu de Praxinoscoop eindelijk een feit was, was het tijd om deze door te ontwikkelen... tot de allereerste film! Het verdere ontstaan van de film laat ik in dit blog achterwege. Ik ga gelijk door naar de allereerste film waarin een getekende animatie werd getoond.

1900: The Enchanted Drawing en Stop-Motion

En dat was ‘The Enchanted drawing’, gemaakt tussen september en begin november 1900 door James Stuart Blackton in zijn eigen Vitagraph Studios. We zijn dus letterlijk een nieuwe eeuw binnen gestapt met de eerste getekende animatie op film. Al was het dan nog een film zonder geluid en nog maar kort, dit was een belangrijke ontwikkeling voor animaties.

Blackton maakte de film met de nog relatief nieuwe stop-motion techniek, die in 1897, drie jaar eerder dus, voor het eerst werd gebruikt. In The Enchanted Drawing voert een man een tekening, die hij zelf op een ezel heeft getekend, dronken met een fles wijn. Deze korte film wordt gezien als de vader van alle animatiefilms. Dit zette de toon voor meer getekende animaties en de stap naar Disney is nu nog maar klein.

1923: Walt Disney

In 1923 maakte de animator Walt Disney de korte film ‘Alice’s Wonderland’ met in de hoofdrol een jonge actrice die communiceert met geanimeerde getekende karakters. Walt Disney had op dat moment nog een ander bedrijf, maar toen dat failliet ging verhuisde hij naar Hollywood.

Hij en zijn broer Roy werden benaderd door film distributeur Winkler Productions om de serie Alice Comedies te maken en richtten op 16 oktober 1923 samen ‘Disney Brothers Cartoon Studio’ op. We kunnen wel stellen dat dat een succes is geworden en animatie erg vooruit heeft geholpen.

1933: Multiplane en Parallax Scrolling

In 1933 werd door de Walt Disney Studio’s een nieuwe techniek bedacht om diepte aan te brengen in illustraties. Dit werd gedaan door middel van de multiplane camera techniek. Tekeningen werden gemaakt op doorzichtige sheets en in lagen boven elkaar onder de camera gelegd. Door deze lagen-structuur kon iedere laag onafhankelijk van elkaar worden bewogen, waardoor voor het eerst het parallax scrolling effect ontstond dat veel later in veel computerspellen, zoals Super Mario Bros., zou worden nagebouwd in de computer. Sinds 2011 wordt het parallax-effect ook veelvuldig gebruikt in websites door achtergrondfoto’s langzamer te laten bewegen dan de ‘voorgrond’ van de website, waardoor er diepte ontstaat tijdens het scrollen van de pagina.

Disney was niet de eerste die de multiplane techniek gebruikte. Het werd ook zeven jaar daarvoor, in 1926, al gebruikt door Lotte Reiniger voor haar film ‘The Adventures of Prince Achmed’. Maar Disney heeft de techniek verbeterd en wereldwijd vertoond.

1933: Chroma Key

Om getekende animaties met camerabeelden te combineren maakte Disney al gebruik van tekeningen met witte achtergronden die over filmbeeld werden geprojecteerd. Ook andere producenten maakten al gebruik van een soort van keying, zoals Frank Williams deed in 'The Invisible Man'. Maar het gebruik van blauwe en groene schermen om een deel van het beeld te vervangen door een ander beeld werd voor het eerst gedaan in 1933 door visuele special effects pionier Linwood G. Dunn voor de film ‘Flying Down to Rio’. Toen nog gedaan met een optische printer.

Sindsdien is de techniek steeds verder gegaan en tegenwoordig is dit een standaard techniek in iedere film- en televisiestudio en zit het in ieder professioneel video editing / effects pakket.

1937: Circuit met Relais en Schakelaars

In 1937 schreef de 'Vader van de Informatietheorie', de Amerikaanse Wiskundige, elektrotechnisch ingenieur en cryptograaf Claude Shannon zijn MIT masters proefschrift. Hierin gebruikte hij Booleaanse algebra voor het berekenen van de uitkomsten van circuits met relais en schakelaars. Het was voor het eerst dat Booleaanse algebra gebruikt werd voor het berekenen van logische elektrische systemen en dit vormde een erg belangrijke basis voor het latere ontstaan van digitale systemen die jaren later zouden worden ontwikkeld, zoals computers. Die nog altijd volgens dit principe werken.

1939: De View-Master

In 1926 is aan de westkust van de Verenigde Staten een bedrijf gestart met het produceren van ansichtkaarten en album-souvenirs. Dit bedrijf, Sawyer’s, werd gerund door Ed Mayer en Harold Graves deed de marketing. Met het toevoegen van fotografische ansichtkaarten aan het assortiment werd het bedrijf de grootste producent van schilderachtige ansichtkaarten in Amerika destijds, en ze verkochten aan grote warenhuizen.

In 1938 werd door de Duitser William Gruber een nieuwe techniek uitgevonden: de stereofoto. Hiermee kreeg een foto diepte. Sawyer’s nam deze techniek in productie in een fabriek in Portland wat resulteerde in een kijker waarmee schijfjes met stereofoto’s konden worden bekeken: De View-Master.

In 1940 zag het Amerikaanse leger grote voordelen om tijdens de Tweede Wereldoorlog deze View-Masters in te zetten bij het trainen van Amerikaanse militairen. Er werden door het leger zo’n 100.000 viewers besteld en tussen 1942 en het einde van de oorlog in 1945 bijna 6 miljoen schijfjes besteld. Later is de View-Master vooral verkocht als kinderspeelgoed.

1940: Alan Turing en De Bombe

Tijdens de Tweede Wereldoorlog communiceerden de Duitsers met elkaar via een encryptie-apparaat dat de Enigma Machine heette. Om te voorkomen dat de sleutel van de Enigma werd gekraakt en de geheime berichten konden worden ontcijferd werden op dit apparaat iedere dag de vele instellingen door de Duitsers gewijzigd, waardoor de sleutel tot ontcijferen van codes iedere dag wijzigde en kraken dus vrijwel onmogelijk was. En zelfs al zou de sleutel al kunnen worden gekraakt, kon deze nog maar maximaal 24 uur worden gebruikt. Daarna zouden de instellingen van de Enigma namelijk weer zijn gewijzigd.

Onder anderen in Groot Brittannië waren ze iedere dag druk bezig de codes te proberen te kraken. Maar dat wilde niet vlotten en was onbegonnen werk. Tot de dag dat er zich een wiskundige bij het leger meldde en zei dat hij een idee had om de Enigma codes te kraken. Hij heette Alan Turing en ontwikkelde na een hoop complex rekenwerk en ook wat vallen en opstaan een machine, een elektromechanische computer, die iedere dag de sleutel van die dag moest kraken om de teksten te ontcijferen die de Duitsers elkaar verzonden: De Bombe.

1947: De Bit

De informatietechnologie begon ook al aardig op gang te komen en in 1947 werd door de Amerikaanse statisticus John Tukey de term ‘Bit’ bedacht.

Het encoderen van data met bits werd al sinds 1732 gedaan bij het maken van ponskaarten waarbij iedere pons-positie op de kaart wel of niet geponst kon zijn. Maar hier bestond nog geen naam voor. Het woord 'Bit' werd in 1948 door Claude Shannon in zijn Informatie-technologie paper genoemd en Claude maakte het daarmee een begrip. Maar de oorsprong kwam van John Tukey die al over 'bits' schreef een jaar eerder in zijn memo aan het bedrijf Bell Labs. Over Claude Shannon meer verderop in dit blog.

Bit staat voor binary digit. Binair, omdat er twee mogelijkheden van een bit zijn: waar (1) en onwaar (0) (true of false). Tegelijkertijd is ‘Bit’ een woordspeling op ‘a little bit’ en 'bits of information'.

1950: De SEAC

In april van hetzelfde jaar werd de allereerste computer gedemonstreerd die kon worden geprogrammeerd. Deze SEAC (Standards Eastern Automatic Computer) was gebouwd door de U.S. National Bureau of Standards (NBS) (tegenwoordig genoemd National Institute of Standards and Technology - NIST), geleid door Samuel N. Alexander.

Het was niet alleen de eerste computer die geprogrammeerd kon worden en dus geen vaste taak had, zoals zijn voorgangers. Het was ook de eerste computer die werkte met solid-state apparatuur (de SEAC gebruikte buizen en diodes) en dus geen gebruik maakte van ponskaarten, tapes of iets dergelijks. De instructieset bestond uit 11 tot 16 instructies en programmeren gebeurde lineair. Het apparaat woog zo'n 1360 kg en was een heel gevaarte, maar voor die tijd een enorme stap vooruit en hij kon op afstand worden bediend.

1955: De Sensorama

De bioscopen hadden ondertussen een ontwikkeling doorgemaakt en filmmaker Morton Heilig werkte aan een paper met de naam ‘The Cinema of the Future’, waarin hij schreef over een ‘Experience Theater’ waarin je als gebruiker dus een hele ervaring zou worden geboden die verder ging dan het kijken naar een film alleen.

Zeven jaar later, in 1962, werd zijn paper omgezet in een prototype: De Sensorama. Dit is één van de eerste virtual reality-achtige ervaringen in de geschiedenis en het apparaat was zijn tijd erg ver vooruit. Zo kon het stereoscopisch 3D beeld weergeven, maakte het gebruik van een stoel met 'body tilting', stereo geluid en had het zelfs aparte kanalen om verschillende geuren en wind tijdens een film te verspreiden. Helaas moest de verdere ontwikkeling door financiële problemen worden gestaakt. Morton wordt nu gezien als de 'Vader van Virtual Reality'.

1957: Eerste Image-Scanner en Eerste Raster-Graphic

De Amerikaanse computer-pionier Russel A. Kirsch was met een team bezig met het ontwikkelen van de eerste digitale foto-scanner in de wereld. Deze presenteerde hij in 1957. De scanner werd aangesloten op de SEAC computer en was in staat tot het maken van fotoscans van 176 bij 176 pixels. Daarmee was niet alleen de eerste scanner geboren, maar ook de allereerste afbeeldingen die waren opgebouwd met pixels, dus raster-graphics. De beroemde eerste scan die hij maakte was er één van een foto van zijn zoontje.

Deze scanner en het gebruik van pixels heeft de basis gelegd voor veel belangrijke computergraphics technieken die wij ook vandaag de dag veelvuldig gebruiken. Zoals digitale foto’s, bewerkingsprogramma’s als Photoshop, het maken van digitale films, textures etc.

1959: Het Casteljau Algoritme / Bézier Curve

Je ziet dat wiskunde, elektrotechniek, grafische, film en animatietechnieken steeds meer samen begonnen te komen bij nieuwe technologische ontwikkelingen.

Op wiskundig vlak was voor computergraphics een belangrijke ontwikkeling het algoritme dat Paul de Casteljau bedacht in 1959: Het Casteljau’s algoritme. Dit algoritme kennen wij inmiddels beter als de Beziérkromme (Bézier Curve), omdat later de Fransman Pierre Étienne Bézier, engineer bij Renault, het algoritme verder heeft ontwikkeld en voorzien van de ‘control handles’ die wij nu nog steeds gebruiken in programma’s als Adobe Illustrator en Affinity Designer om de kromme (curve) te vormen.

Casteljau / Bézier Interactive

Tijd voor een interactive om te zien hoe het Casteljau / Bézier algoritme punten op de curve berekent om deze te kunnen weergeven op een monitor. De weergegeven variant is er één met een enkel controlpunt (C). Er bestaan ook varianten met twee of zelfs meer controlpunten, al wordt meer dan twee controlpunten zelden tot niet gebruikt en is dat ook overbodig voor grafisch werk.

Positioneer eerst de punten S (start), E (eind) en C (control) om de curve te vormen maken. Om te zien hoe de punten worden berekend die op de curve liggen, verplaats je de handles met de T erop. Deze staan voor de tijd van 0% tot 100% die de curve aflegt van start- tot eindpunt. Door van de groene snijlijn hetzelfde percentage te nemen kom je op de locatie uit van het punt op de curve voor die tijd. Als je een handle T van begin tot eind beweegt zie je dat daarmee de curve van begin tot eind wordt getekend.

Conclusie

Dat was het voor deel één, waarin het vooral ging over het ontstaan van de eerste animaties, computers en zelfs al de eerste stapjes naar Virtual Reality. Maar dit is nog maar het begin. Als je het net zo interessant vindt als ik te zien hoe verschillende stromingen, zoals wiskunde, elektrotechniek, wetenschap, logica, creativiteit, animaties en illustraties samengekomen om tot grote ontwikkelingen te leiden, zie ik je graag terug bij het volgende deel van deze serie.

In deel twee gaan we verder waar we nu zijn gebleven en stappen we direct de ontwikkeling in van computers en graphics, die indertijd pas echt op gang begon te komen. Een erg interessante periode waarin veel belangrijke en grensverleggende ontwikkelingen hebben plaatsgevonden. Hierin zullen je een aantal zaken waarschijnlijk zelfs gaan verrassen. De komende maanden blijf ik nieuwe delen aan deze serie toevoegen tot zes in totaal.

Vond je dit interessant of wil je iets vragen of melden? Laat iets van je horen hieronder en deel de blog op sociale media. Het motiveert me om meer kwaliteitsblogs als deze te blijven schrijven! Na het klikken op like/dislike heb je ook de optie om ergens op te reageren als je dat wilt (optioneel). Bedankt en tot de volgende!

Lees verder in deel 2 >