【新智元導讀】去年，圖靈獎頒給了熬過寒冬的人；今年，圖靈獎頒給了點亮創意之光的人。史丹福大學計算機圖形學實驗室教授Patrick Hanrahan和計算機科學家、皮克斯動畫工作室聯合創始人Edwin Catmull斬獲圖靈獎！他們的工作對電影製作產生了革命性的影響，並為當今 3D 動畫電影鋪平了道路，一起來了解好萊塢大片背後的這兩個男人。「新智元急聘主筆、編輯、運營經理、客戶經理，添加HR微信（Dr-wly）了解詳情。」
2019年圖靈獎公布！
史丹福大學計算機圖形學實驗室教授Patrick Hanrahan和計算機科學家、皮克斯動畫工作室聯合創始人Edwin Catmull獲得了這一計算機領域最高榮譽！二人均為Pixar（皮克斯）的創始成員。
Pat Hanrahan
Ed Catmull
圖靈獎授予Hanrahan和Catmull是為了表彰他們對 3D 計算機圖形學的貢獻，以及這些技術對電影製作和計算機生成圖像（CGI）等應用的革命性影響。這也意味著圖形學第二次獲圖靈獎，首位是1988年圖靈獎獲得者Ivan Sutherland。
二人將分享100萬美元的獎金，他們將在2020年6月20日在加利福尼亞州舊金山舉行的ACM年度頒獎宴會上正式獲得2019 ACM AM圖靈獎。
Catmull：和賈伯斯共事26年為CG界帶來革命
去年，圖靈獎頒給了熬過寒冬的人。今年，圖靈獎頒給了點亮創意之光的人。
恐怕很多做AI的同行不是很了解Hanrahan和Catmull這兩位CG界的泰鬥，但你一定看過《阿凡達》。
《阿凡達》中40%的畫面由真實場景拍攝，60%完全由電腦動畫生成，拍攝立體畫面使用的全新3D Fusion Camera系統也耗費了大量的成本。每幀畫面平均耗費4萬個人工小時，所以，在影片結束時，那緩緩升起的巨型演職員表裡，我們可以看到一共有48家公司，1858位工作人員。
《阿凡達》是有史以來最複雜的一次電影製作，卡梅隆說，「我們要做的CG角色不止一個，而是幾百個，都要有照片般的真實感。而這種真實感就來自Catmull的創新技術。
Edwin E. Catmull教授從小就創造力旺盛，3D立體思維能力超群。既喜歡在課堂上畫畫，也喜歡修理汽車。曾經在一次採訪中談到自己的家庭時，自稱是家中的「Black Sheep」。
然而這位所謂的「差生」，是猶他大學物理學和計算機科學理學學士、計算機科學博士，ACM和視覺效果學會（Visual Effect Society）成員，也是美國電影藝術與科學學院和美國國家工程院雙院士。
他師從計算機圖形學之父、1988年圖靈獎獲得者Ivan Sutherland，創辦了紐約理工學院（NYIT）的計算機圖形學實驗室，和星球大戰導演喬治盧卡斯共同創建了Pixar，並擔任過沃爾特·迪斯尼動畫工作室（Walt Disney Animation Studios）總裁。
在獲得圖靈獎之前，Catmull教授曾獲1993年ACM SIGGRAPH Steven A. Coons計算機圖形學傑出創意貢獻獎，2006年IEEE John von Neumann獎章等。
Catmull 在他的博士論文中用了兩種開創性的技術來顯示曲面而不是用多邊形：z 緩衝和紋理映射，前者處理圖像深度坐標，後者處理二維表面在三維對象上的紋理映射。
Z 緩衝算法也叫深度緩衝器算法，屬於圖像空間消隱算法，該算法有幀緩衝器和深度緩衝器。
假定 xoy 面為投影面，z 軸為 觀察方向，過屏幕上任意像素點（x,y） 作平行於 z 軸的射線 R，與物體表面相交於 p1 和 p2 點，p1 和 p2 點的 z 值稱為該點的深度值。
z-buffer 算法比較 p1 和 p2 的 z 值，將最大的 z 值存入 z 緩衝器中，顯然 p1 在 p2 前面，屏幕上（x,y）這一點將顯示 p1 點的顏色。
算法思想：先將 Z 緩衝器中各單元的初始值置為最小值。當要改變某個像素的顏色值時，首先檢查當前多邊形的深度值是否大於該像素原來的深度值（保存在該像素所對應的 Z 緩衝器的單元中）。如果大於原來的 z 值，說明當前多邊形更靠近觀察點，用它的顏色替換像素原來的顏色。
在猶他求學期間，Catmull 還創建了一種通過粗糙多邊形網格來表示光滑曲面的方法。畢業後，他與 Jim Clark 合作，後者在 Catmull-Clark 細分曲面基礎上創建了 Silicon Graphics 和 Netscape，該曲面現已成為動畫和電影特效中使用的最出色的曲面補丁。Catmull 的技術在開發逼真圖形技術，消除「鋸齒」（形狀周圍的粗糙邊緣）方面起著重要作用，而鋸齒是原始計算機圖形的標誌。
離開猶他大學後，Catmull 成立了紐約理工學院（NYIT）計算機圖形實驗室，這是美國最早的專用計算機圖形實驗室之一。在那個時候，Catmull 就夢想著製作一部計算機動畫電影。1979 年，喬治·盧卡斯（George Lucas）聘請了 Catmull，他離自己的電影夢又進了一步。之後，Catmull 又聘用了許多致力於將計算圖形推向逼真圖像的技術人員。在 LucasFilm 基礎上，Catmull 及其同事繼續著 3D 計算機圖形動畫的創新，而當時這個行業仍然被傳統的 2D 技術所主導。
加入皮克斯，結識 Hanrahan ，開啟計算機圖形學的黃金時代
天選之人，終究要相遇。
1986 年，史蒂夫·賈伯斯（Steve Jobs）收購了盧卡斯電影公司（LucasFilm）的計算機動畫部門，並將其更名為皮克斯（Pixar），並讓 Catmull 擔任皮克斯的總裁。
Pat Hanrahan 就是 Catmull 在皮克斯的第一批員工。Hanrahan 於 1985 年獲得了威斯康星大學麥迪遜分校的生物物理學博士學位，在加入 Pixar 之前曾在 NYIT 的計算機圖形學實驗室短暫工作過。
Hanrahan 作為首席架構師，與 Catmull 還有 Pixar 團隊的其他成員一起創建了一種新的圖形系統的，該圖形系統可以使用真實的材質和照明來渲染彎曲的形狀。此系統（後來稱為 RenderMan）的一個關鍵思想是著色器（用於著色 CGI 圖像）。RenderMan 的功能將光的反射行為與幾何形狀分開，並計算了形狀上各點的顏色，透明度和紋理。RenderMan 系統還結合了 Catmull 早前在該領域開創的 Z 緩衝和細分曲面技術。
在皮克斯工作期間，Hanrahan 還開發了立體渲染技術，該技術使 CGI 藝術家可以渲染 3D 數據集（例如一團煙）的 2D 投影。Hanrahan 和 Marc Levoy 共同發表了一篇介紹光場渲染的論文，這也是他被引用次數最多的論文。
光場渲染可從任意點生成新視圖而無需深度信息或特徵匹配，使觀看者感覺它們正在穿越真實場景。接著，Hanrahan 開發了使用次表面散射來描繪皮膚和頭髮的技術，以及使用蒙特卡羅光線追蹤繪製複雜光影效果的技術，就是現在所謂的全局光源或 GI。
1990 年，Hanrahan 在 ACM SIGGRAPH 會議上發表了一篇開創性的論文，分享了他對 RenderMan 的研究。然而，要讓計算機硬體發展到可以使用 Hanrahan 的 RenderMan 系統製作完整的 3D 計算機動畫電影《玩具總動員》的程度，還需要 5 年的時間。
在 Catmull 的領導下，皮克斯使用 RenderMan 製作了一系列成功的電影。皮克斯還將 RenderMan 授權給其他電影公司。
此後，幾乎每一部好萊塢電影的CG渲染，都能見到RenderMan的身影。
最近 47 部奧斯卡視覺效果提名影片中有 44 部使用了該軟體，包括《阿凡達》、《鐵達尼號》、《美女與野獸》、《魔戒電影三部曲》、《星球大戰前傳》等。時至今日，Renderman 仍然是 CGI 視覺效果的標準工作流。
1989 年離開皮克斯後，Hanrahan 在普林斯頓大學和史丹福大學擔任學術職務。從 20 世紀 90 年代開始，他和他的學生擴展了 RenderMan 的規範，使其可以在功能強大的 GPU 上實時工作。Hanrahan 和他的學生開發的 GPU 程式語言促進了 OpenGL 等商業版本的發展，從而徹底改變了視頻遊戲的編寫方式。
GPU 上使用的各種著色語言的流行和多樣性，要求 GPU 硬體設計者開發更靈活的體系架構構，這些架構反過來又允許 GPU 在各種計算環境中使用，包括運行高性能計算的算法，以及為人工智慧應用程式在海量數據集上訓練機器學習算法。特別是，Hanrahan 和他的學生開發了一種 GPU 語言 Brook，而 Brook 最終構成了 NVIDIA 的 CUDA。
Catmull 在皮克斯已有 30 多年了，皮克斯後來成為迪士尼動畫工作室的子公司。在他的領導下，這些實驗室的數十名研究人員發明並發布了很多基礎技術（包括圖像合成，運動模糊，布料模擬等），這些技術為計算機動畫電影和計算機圖形學做出了了更大的貢獻。
Catmull和Hanrahan有很多相似之處：都曾因其卓越的技術貢獻而獲得 ACM SIGGRAPH 以及美國電影藝術與科學學院的獎項，都在Pixar待過，都對世界充滿了好奇心，都是跨專業天才。以及，都是一副理工直男的形象卻在視覺藝術領域做出了巨大貢獻。
下一次再看好萊塢大片時，相信你會想起這兩位背後的男人。