作者:程唯珈 卜叶 来源: 中国科学报 发布时间:2020-3-26
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走近2019图灵奖获得者
用图形学创造一个新世界

帕特里克·汉拉汉(左)和艾德文·卡特姆获2019图灵奖。

 

■本报见习记者 程唯珈 记者 卜叶

与乔布斯共事26年,被乔布斯屡次称赞 “非常聪明”“天才”的人,能做什么?

他们改变了一个产业,引领了一个时代,多次获奥斯卡奖,加冕计算机领域最高奖——图灵奖。

这就是刚刚出炉的2019图灵奖得主:艾德文·卡特姆和帕特里克·汉拉汉。从25年前的《玩具总动员》开始,他们引领了一种全新的计算机动画电影类型,为电影的3D动画时代奠定了基础。

“两位元老是引领计算机图形学进入‘真实感图形’时代的关键人物,他们在细分曲面造型、真实感绘制等方面的基础性贡献和所研制的图形渲染、动画生成系统,改变了动画和电影工业,使计算机图形学进入了人们生活和工作的方方面面。”浙江大学计算机辅助设计与图形学国家重点实验室主任周昆告诉《中国科学报》。

革命性的贡献

“不同于一般的研究人员,汉拉汉不仅搞科研,还创办或联合创办了多家公司。这些公司展现出超乎寻常的预见性和市场活力,市场转化十分成功。”接受《中国科学报》采访时,北京大学前沿计算研究中心执行主任陈宝权对此表示钦佩。

据国际计算机学会(ACM) 官方公告,卡特姆和汉拉汉的工作不仅对现代图形学的概念、算法、软件和硬件做出了开创性贡献,还对图形学之外的多个领域以及图形学相关产业带来了巨大影响。

最耳熟能详的就是皮克斯动画公司。两位先行者利用计算机图形学技术,将早年完全靠手工画图、动辄上百万元的动画制作过程大大精简,全部用计算机软件来完成,创作出了《玩具总动员》《寻梦环游记》等经典作品。

早年的动画和影视是用手绘和实景模型的形式生成,实际上只是把现实场景拍摄出来。有了计算机图形学技术之后,技术人员实现了通过计算机来生成虚拟数字化影像内容,即对现实的虚拟化。

“以前只能在艺术工作者手中诞生的动画,经由图形学技术,成功地把物理世界搬进计算机,视觉效果堪比现实,人类甚至可以借助该技术再造一个新世界。”中国科学院自动化研究所研究员张晓鹏如此形容道。

陈宝权介绍说,动画自此不再依靠操作人员或创作人员一帧帧地绘画,通过技术描述场景几何形状、模拟光照、还原物质的材质肌理、动态动作规则等即可。当然,这一过程中也需要人为调整。”

在此基础上,卡特姆和汉拉汉开发出了一套3D渲染系统RenderMan。利用这套系统,历史上第一部电脑生成的3D动画片《玩具总动员》由此诞生,直至今日,这项技术仍在广泛应用,例如很多大片的特效模拟。

用图形学再现一切

《泰坦尼克号》《阿凡达》等电影中那些精彩绝伦的特效画面是如何实现的?不需要现实拍摄,这一切均可由创作者想象虚构产生。而这都离不开计算机图形学的机理和技术。

接受《中国科学报》采访时,中国科学院自动化研究所科学艺术研究中心主任张之益介绍,计算机图形学主要研究如何在计算机中表示图形对象以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。

而在计算机动画的创作过程中,贯穿整个流程的多为建模、绑定、特效、渲染等图形学应用。

比如,让动画实现三维效果需要解决很多挑战问题。北京大学智能科学系研究员袁晓如向《中国科学报》解释,以绘画为例,没有受过训练的孩子画出的立体图形往往前后线条、图块重叠在一起,没有三维遮挡的效果。“卡特姆提出的Z缓冲就是让计算机很快能算出来什么东西看得见、什么看不见。”

再比如,两位科学家开发出的渲染工具RenderMan,它支持复杂的灯光和着色器效果,将光反射过程与几何形状分开,还可以计算外形上各点的颜色、透明度和纹理等效果。

同时,RenderMan系统结合了卡特姆提出的Z缓冲和细分曲面的创新。“多项技术傍身,这使得通过RenderMan生成的数字图像比之前的任何图像都要更真实。”陈宝权说。

“电影中人类的皮肤需要考虑半透明特殊质地。头发绘制中不仅要还原质地,还要实现头发的飘动等。而计算机图形学设计了一套还原不同质地属性及其运动规律的计算方法。” 袁晓如总结说,这样复杂的场景,需要使用GPU硬件加快绘制速度。而汉拉汉提出的支持通用图形硬件编程的Brook语言在GPU硬件发展历史中有着重要意义。

在张之益看来,如何进行高效高质量的三维内容创作、三维世界的实时理解与分析、开发大规模可扩展的实时模拟技术和将人机交互与图形学进行深度结合等问题,对于图形学领域仍然是巨大的挑战。

“图形学最原始的梦想是用计算机的数字手段来再现自然世界的一切,目前我们已经在有限范围实现了这一目标。”陈宝权介绍,以《阿凡达》为例,很多具有人类基础表情和动作的虚拟人物,还无法完全自动生成。

不断发展的图形学

去年,国漫作品《哪吒之魔童降世》《白蛇》赢得无数票房和口碑。作品里面栩栩如生的人物勾勒和酷炫的特效令人印象深刻。不过专家认为,在计算机图形学研究和应用领域,我国技术人员目前还扮演着追随者角色。

“计算机图形学已经在我国影视动画领域有所应用,但差距仍然存在。”陈宝权提出,差距体现在技术原创,原因之一是相关人才的缺乏。

“比如皮克斯公司除了艺术创作团队,还有技术团队,负责动画新技术的研发。目前我们的动画产业缺乏有前沿研究能力的技术人员,而技术人员只限于配合艺术创作团队来使用好现有的技术软件,研发能力比较局限。”

除影视动画外,随着硬件技术、通信技术等的发展,计算机图形学正在越来越多的领域大显身手。

“解决模型和绘制等基本问题后,未来的应用也还包括各种融合交互。从相关领域来看,虚拟现实、增强现实以及和图形学密切相关的可视化都呈现出旺盛的生命力。”袁晓如提到。

在陈宝权的印象里,自2000年起,汉拉汉就对数据可视化领域表现出了浓厚的兴趣。2018年他在国际可视化大会IEEE VIS中的一个演讲主题就是针对可视化的自动分析。而实际上,他也是国际知名的商业智能可视化企业Tableau的联合创始人。

周昆认为,图形学一个最显著特点是学科交叉以及对技术创新的追求。

事实上,计算机图形学研究一直不断发展。专家表示,从卡特姆和汉拉汉等人解决了真实感问题,到后继研究者突破实时性瓶颈,再到当前蓬勃发展的智能化浪潮和未来可以预见的高保真需求,每一次突破都需要对现有图形学理论和方法进行变革,从而促进相关领域和应用的发展。

“此次,图灵奖授予计算机图形学是对该学科几十年学术研究核心技术应用的肯定,未来不排除计算机图形学再次获奖的可能性。”张晓鹏认为,未来,图形学技术将继续向前发展,在国防军事、远程医疗、智慧城市、人工智能、虚拟现实、增强现实等领域产生更多交叉研究,促进多个产业发展。

《中国科学报》 (2020-03-26 第3版 信息技术)
 
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