32年后计算机图形学再夺图灵奖——用计算机“再造”超现实世界

Mark wiens

发布时间:2020-04-02

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32年后计算机图形学再夺图灵奖——用计算机“再造”超现实世界劲松大厦

原标题:32年后计算机图形学再夺图灵奖——用计算机“再造”超现实世界

 

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图片来源:视觉中国

来源:新华日报 作者:杨频萍

国际计算机协会(ACM)近日宣布了2019年图灵奖获得者,两位皮克斯动画工作室元老汉拉汗(Patrick M. Hanrahan)和卡特姆(Edwin E. Catmull)正式加冕这一“计算机界的诺贝尔奖”。

图灵奖对获奖条件要求极高,一般每年只奖励一名计算机科学家,只有少数年度有两名合作者或在同一方向作出贡献的科学家共享此奖。自1966年以来,图灵奖已经颁发了53届,共73位科学家获此殊荣。相比去年获奖的“深度学习”三巨头,今年两位获奖者的工作让大众更感亲切,《阿凡达》《美女与野兽》与《指环王》三部曲等电影动画都有他们跨时代的技术贡献。

图形学最初的梦想——

用计算机重建一切

汉拉汗是著名计算机科学家,皮克斯动画工作室联合创始人、前总裁。卡特姆也是皮克斯动画工作室创始员工之一,同时是斯坦福大学计算机图形学实验室教授。此次获奖,ACM主要表彰他们对3D计算机图形学的贡献,以及这些技术应用的革命性影响。

对于电影大家很熟悉,对计算机图形学大家却不熟悉。计算机图形学是什么?获奖者汉拉汗的初衷或可作出解释——“我认为我们可以把抽象概念、数学和算法转换成图像的想法,这是世界上最酷的事情了。”

这是计算机图形学与图灵奖32年后再度“邂逅”。被人们尊称为当代计算机辅助设计(CAD)之父的伊凡·苏泽兰特曾于1988年获得图灵奖。1963年他博士论文答辩的题目是“Sketchpad:一个人机交互通信的图形系统”,获得了信息理论之父香侬在内的满堂喝彩,也就是在那篇论文中,首次有了“计算机图形学”这一术语。

南京大学计算机科学与技术系路通教授告诉记者,伊凡·苏泽兰特实现了人与计算机之间相对简单的交互,他开发的图形系统具备了图形对象的绘制、拾取和定位等功能,从而使得人们可以用光笔通过显示器直接与计算机系统进行交互。随后,图形用户界面GUI和计算机辅助设计等技术纷纷推出,关于图形技术的产业开始形成。

“简单说,计算机图形学是以可视化的形式,在人、计算机和真实世界中搭建桥梁。”路通教授打了个比方,“比如我们用计算机描绘一个人在现实生活中的形象,是不同于摄影摄像的。摄影摄像是通过计算机视觉方法捕捉定格的画面,只有固定的视角成像结果;而计算机图形学,是要生成360度的‘真人’,换句话说,就是‘把人搬到计算机里’。”

把人“搬”到计算机里,必须实现人整体的数字化。在计算机图形学领域,几万行代码可能只能完成一个简单的图形实现,难度很大。“比如如何一根根重建人的头发?头发形状应该是一根根的,不能是一团团的,还要展现它柔软的质地,合适的颜色,风一吹还要飘动……”路通说,这些都需要利用计算机图形学建模方法,一一刻画出来,才能逼近现实。

人只是真实世界中的一类。真实世界中还有花草、树木、海水、DNA等千千万万客观存在的对象,这需要对物理世界有比较充分的认识。北京大学陈宝权教授曾举例,“比如做树木的三维重建,还要学习大量关于植物生长规律的知识,在屏幕上做水彩画,需要了解画笔、着色和纸纤维渗透等方面知识。”用计算机重建世界还是有较高的技术门槛的。

他们改变了一个产业,

技术44次获奥斯卡提名

计算机图形学改变了一个产业,开创了一个时代。可以说,没有计算机图形学,就没有3D动画电影。

在我们童年印象中的动画电影是怎么做出来的?“我们是通过手绘,画出一帧帧的场景,再逐个着色,让这些连续图片以一秒25张左右的速度动起来,从而生成动画。”路通说,汉拉汗和卡特姆的贡献在于多年在计算机图形领域的工作积累,“简单说,这两位科学家将放在计算机中的人,做得越来越逼真了,可以哭,可以笑,会变老,还可以做各种动作。”

ACM官网写道,汉拉汗和卡特姆通过概念、软件、硬件的创新,从根本上影响了计算机图形学领域。他们的工作对电影制作产生了革命性的影响,从25年前的《玩具总动员》开始,一直延续到今天,他们创造了一种全新的、完全由计算机制作的动画电影。

路通说,在这些电影当中,他们除了采取新的建模方法,还增加了全新的渲染技术体系。渲染的作用是什么呢?“数字模型属于一种几何语言,比如一个三角网格模型没有颜色,没有光照效果,而增加纹理和渲染后就可以让模型呈现质感,从而产生令人赏心悦目的真实感图形。”

“比如人的皮肤表面的纹理特征,要通过算法自动生成,再贴到模型上去,这样看上去才像是真的皮肤;再比如,我们要给环境以光影,进一步使得建好的模型与真实场景的效果吻合,有亮光,也有阴影。” 路通介绍,围绕这些方面,两位皮克斯元老做了很多开创性的工作,设计出一系列算法,研发了自己的一些技术系统。

《海底总动员》《侏罗纪公园》《指环王》……很多人的“童年回忆”都用到了这项跨时代的特效技术。据介绍,奥斯卡的视觉特效奖在过去若干年的47次提名中,有44次应用了皮克斯团队的系列技术。凭借在计算机图形学研究方面的工作,他们两位先后获得7次奥斯卡奖,艺术和技术的完美交汇,无人望其项背。

我们正处在图形与

交互技术极速发展的浪尖

获得图灵奖之后,计算机图形学领域还有哪些值得期待?要知道,“用计算机重建一切”的最初梦想还远没有实现。

用谷歌AI掌门人Jeff Dean的话来说:“他们几十年前开发的技术,在今天仍然是这个领域的标准做法,这令人印象非常深刻。重要的是,它们未来也将会在AR/VR、数据可视化、医学成像等领域产生重要的影响。”

微软亚洲研究院网络图形组则指出,图形学未来还会应用在机器人、3D打印、虚拟现实、增强现实、数字化孪生等场景。

路通介绍,目前在虚拟现实已经有应用,比如故宫里文物可以通过计算机“活起来”,让清明上河图呈现流动的画面,重现一千多年前的生活情景。所谓增强现实技术,即我们戴上眼镜,可以把虚拟的计算机图形学虚构出来的场景,叠加到手机所拍摄的真实的世界里去,真实世界和图形特效的结合,可以让大家产生全新的感受。此外,计算机图形学还可以跟我们的一些可穿戴的设备,比如说眼镜、头盔,甚至是衣服,以及车载设备、医疗器械等等结合起来,进而研发各类创新应用。

有业内人士指出,随着下一代的虚拟现实设备和增强现实设备的出现,真实和虚拟的世界会得到更好的融合,带给人类一个超现实的世界。

路通表示,计算机图形学应用性很强,在真实感图形生成、视觉特效和计算机动画等方面还可以继续走下去,使得图形显示更加真实或更具个性化。“但我们目前的工作方式还是32年前第一个图灵奖获得者的工作所延伸和演化出来的,人、计算机和真实世界间的关系没有发生根本的变化。未来我们也期待计算机图形学新的革命,出现更加自然、以人为本的人机交互方式,以及更具革命性和颠覆性的图形生成和显示技术,这有待于计算机图形学进一步的研究。”

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