來源 美國計算機學會
編譯 戚譯引 魏瀟
編輯 魏瀟
美國計算機學會（ACM）今天宣布，有著「計算機界諾貝爾獎」之稱的 2019 年圖靈獎授予史丹福大學計算機圖形學實驗室教授 Patrick M. Hanrahan 和計算機科學家、皮克斯動畫工作室聯合創始人 Edwin E. Catmull，以表彰他們對 3D 計算機圖形學的奠定性貢獻，以及這些技術對 CG 成像在電影製作和其他方面應用的革命性影響。
Ed Catmull 和 Pat Hanrahan 做出的貢獻從根本上改變了計算機圖形學領域，並對電影製作產生了革命性的影響，將計算機動畫電影變成為了現實——他們拉開了 25 年前世界首個完全由電腦製作的動畫電影《玩具總動員》的序幕，並讓這股熱潮一直延續到今天。
如今，全球電影行業產值達到 1380 億美元，3D 動畫是其中最受歡迎的一類。對於蓬勃發展的視頻遊戲行業，以及新興的虛擬實境（VR）和增強現實（AR）領域，3D 計算機成像技術也至關重要。Catmull 和 Hanrahan 作出了開創性的技術貢獻，他們的工作至今仍然是 CG 成像開發中不可或缺的部分。此外，他們對圖形處理單元（GPU）編程的見解不僅影響了計算機圖形學，還影響了數據中心管理和人工智慧等多個領域。
2019 年圖靈獎得主
Patrick M. (Pat) Hanrahan
圖片來源：Tableau
Pat Hanrahan 是史丹福大學計算機圖形學實驗室的佳能計算機科學和電氣工程教授。他於 1977 年獲得威斯康星大學麥迪遜分校的核工程學學士學位，1985 年獲生物物理學博士學位。他在 20 世紀 80 年代任職於紐約技術與數字設備公司（New York Institute of Technology and Digital Equipment Corporation），隨後在皮克斯擔任高級科學家（1986-1989）。接下來，他先後擔任普林斯頓大學副教授（1991-1994）和史丹福大學教授（1994 年至今），並指導了 40 多名博士生。Hanrahan 共同創立了數據分析公司 Tableau Software，於 2019 年 8 月被 Salesforce 收購。
Hanrahan 曾獲得多項榮譽，包括 2003 年 ACM SIGGRAPH Steven A. Coons 獎，以表彰他對計算機圖形學的傑出貢獻。他是 ACM 會員，也是美國藝術與科學學院（American Academy of Arts & Sciences）院士以及美國國家工程院（National Academy of Engineering）院士，併入選了許多其他著名組織。
以及
Edwin E. (Ed) Catmull
Ed Catmull 是皮克斯動畫工作室聯合創始人，並曾先後擔任皮克斯和沃爾特·迪斯尼動畫工作室（Walt Disney Animation Studios）的總裁。他於 1970 年獲得猶他大學的物理學和計算機科學理學學士學位，1974 年獲得計算機科學博士學位。在他的職業生涯中，Catmull 曾擔任盧卡斯影業（Lucasfilm Ltd.）計算機部門的副總裁，負責計算機圖形、視頻編輯、視頻遊戲和數字音頻領域的開發。他創辦了紐約理工學院（NYIT）的計算機圖形學實驗室。
Catmull 獲得了 1993 年 ACM SIGGRAPH Steven A. Coons 獎計算機圖形學傑出創意貢獻獎（ACM SIGGRAPH Steven A. Coons Award for Outstanding Creative Contributions to Computer Graphics），以及 2006 年 IEEE John von Neumann 獎章，獲獎理由是對計算機圖形學的傑出貢獻和計算機動畫在電影中的開拓性應用。他是 ACM 和視覺效果學會（Visual Effect Society）會士，也是美國電影藝術與科學學院（Academy of Motion Picture Arts & Sciences）和美國國家工程院（National Academy of Engineering）院士。
Catmull 1974 年在猶他大學獲得計算機科學博士學位，師從計算機圖形學之父、1988 年 ACM 圖靈獎獲得者 Ivan Sutherland。在他的博士學位論文中，Catmull 介紹了一些突破性技術，能夠用於顯示曲面片（curved patch），而不是多邊形。這篇論文中還出現了兩項新技術：一是深度緩衝（Z-buffering，Wolfgang Straber 也在同一時期對此進行了描述），用於管理計算機圖形中的圖像深度坐標；二是紋理映射（texture mapping），將二維表面紋理包裹在三維對象外部。在猶他大學時，Catmull 還創建了一種表示光滑表面的方法，即使用更粗糙的多邊形網格。畢業後，Catmull 與 Jim Clark（後來的 Silicon Graphics 和 Netscape 創辦者）合作提出了 C-C 細分曲面（Catmull-Clark Subdivision Surface），這種曲面效果出色，是現在動畫和電影特效中常用的曲面片。Catmull 的技術在開發照片級的逼真圖形和消除「鋸齒」方面起著重要作用（鋸齒即形狀周圍的粗糙邊緣，是原始計算機圖形學的標誌）。
離開猶他大學後，Catmull 組建了紐約理工學院（NYIT）的計算機圖形實驗室，這個實驗室成為了美國最早的一批計算機圖形學專門實驗室之一。在那時，Catmull 就夢想著製作一部計算機動畫電影了。1979 年，這一目標在喬治·盧卡斯（George Lucas）的推動下又進了一步：盧卡斯當時聘用了Catmull 等許多專家，他們將計算機圖形優化成了更為現實逼真的圖像。當時，整個行業仍然被傳統的 2D 技術所主導，但是在盧卡斯電影公司（LucasFilm），Catmull 和同事們堅持不懈地對 3D 計算機圖形動畫進行創新。1986 年，史蒂夫·賈伯斯（Steve Jobs）收購了盧卡斯電影公司的計算機動畫部門，並將其更名為皮克斯（Pixar），Catmull 成為了這家公司的總裁。
皮克斯於 2011 年製作的 25 周年紀念海報。圖片來源：mondivirtuali.it
在皮克斯的第一批員工中，Pat Hanrahan 赫然在列。他於 1985 年在威斯康星大學麥迪遜分校獲得了生物物理學博士學位，並在加入皮克斯之前曾在 NYIT 的計算機圖形學實驗室短暫工作過一段時間。加入Catmull 和他的皮克斯團隊後，Hanrahan 成為了一種新圖形系統的首席架構師，這個新系統能夠用真實的材質和光影來渲染曲線形狀，後來被命名為 RenderMan。它的一個關鍵概念是能夠給 CG 圖像著色的著色器（shaders）。RenderMan 能將光反射與幾何形狀分開，並且可以計算被著色對象上各個點的顏色，透明度和紋理。這一系統還結合了 Catmull 此前在該領域創建的深度緩衝（Z-buffering）和細分曲面（subdivision surface）兩種技術。
在皮克斯工作期間，Hanrahan 還開發了體積渲染技術，這讓 CG 藝術家可以對 3D 數據集的 2D 投影（例如一團煙霧）進行渲染。在 Hanrahan 一篇被引用次數最多的論文中，他與合著者 Marc Levoy 一起提出了光場渲染的概念，這種方法可在不需要深度信息或特徵匹配的情況下，讓觀看者從任意一點跳躍至新場景，從而帶來穿越體驗。Hanrahan 還完善了使用表面下散射來描繪皮膚和頭髮的技術，並使用蒙特卡洛射線追蹤技術來渲染複雜光影效果——被稱為全局照明（global illumination，GI）。
Hanrahan 1990 年在 ACM SIGGRAPH 上發表的論文中展示了他開創性的 RenderMan 研究。然而，計算機硬體5 年後才發展到足夠高的水平，得以讓 RenderMan 系統製作出了世界上首部全部由計算機製作的 3D 動畫電影——《玩具總動員》。
圖片選自《玩具總動員》系列電影
在 Catmull 的領導下，皮克斯使用 RenderMan 製作出了一系列大獲成功的電影，這一技術還被授權給了其他電影公司。最近數年裡 47 部獲得奧斯卡視覺效果獎提名的電影中，有 44 部都使用了 RenderMan 技術，其中包括《阿凡達》、《鐵達尼號》、《美女與野獸》、《指環王》三部曲以及《星球大戰》前傳。直到今天，RenderMan 仍然是 CG 視覺特效製作的標準工作流程。
《指環王》系列電影的 CG 特效。圖片來源：GIPHY
在 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 1990 年代開始，他和學生們擴展了 RenderMan 的著色語言，使其可以在功能強大的 GPU 支持下進行實時工作，並由此進入市場。Hanrahan 和學生開發的 GPU 程式語言推動了商業化程式語言（包括 OpenGL 著色語言）的進步，徹底改變了視頻遊戲的製作規則。
GPU 上普遍使用的著色語言及其多樣性最終要求 GPU 硬體設計人員開發更靈活的體系架構。這些架構又允許 GPU 被用於各種計算環境，比如在高性能計算應用程式中運行算法，在人工智慧應用程式的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應用於 GPU 的語言 Brook，為 NVIDIA 的 CUDA 奠定了基礎。
Catmull 則在皮克斯工作了 30 多年，即便它成為了迪士尼動畫工作室的一個子公司也未曾離開。在他的領導下，數十名研究人員創造並發布了包括圖像合成、運動模糊、布料模擬等技術在內的一系列基礎技術，這對計算機動畫電影和計算機圖形學做出了更大的貢獻。
ACM 主席 Cherri M. Pancake 表示，CG 成像改變了電影的製作方式和觀影體驗，也深刻影響了更廣泛的娛樂行業。計算機圖形學是 ACM 中最大，最活躍的社區之一，而 Catmull 和 Hanrahan 證明，計算科學中一個專業方向的工作可以對該領域的其他方面產生重大影響。
谷歌 AI 高級研究員兼高級副總裁 Jeff Dean 則認為，「如今 3D 計算機圖形成像已經十分普及，我們往往會忘記這個領域不久前的樣子。在技術不斷發展的當下，數十年前 Hanrahan 和 Catmull 所開發的技術仍是這個領域的標準實踐，這給人留下了深刻的印象。認可 CG 成像技術的科學貢獻，並教育公眾這一技術將在未來幾年中影響許多領域，包括虛擬實境和增強現實、數據可視化、教育和醫學影像等，是一件非常重要的事。
圖靈獎和美國計算機學會
ACM A.M. 圖靈獎以英國數學家阿蘭·M·圖靈（Alan M. Turing）的名字命名，創立於 1966 年，旨在對創造系統和理論基礎、推動信息技術行業發展的計算機科學家和工程師進行表彰。獎金為 100 萬美元，由谷歌公司提供資金支持。2019 年圖靈獎頒獎晚會將於 2020 年 6 月 20 日星期六在美國舊金山舉行。
美國計算機學會（Association for Computing Machinery，ACM）是世界上最大的計算機教育和科學協會。它團結計算機教育者、研究人員和專業人員，以激發對話，共享資源，應對該領域的挑戰。