科學網—用圖形學創造一個新世界
2020-11-22 科學網 
派屈克·漢拉漢（左）和艾德文·卡特姆獲2019圖靈獎。
■本報見習記者 程唯珈 記者 卜葉
與賈伯斯共事26年，被賈伯斯屢次稱讚 「非常聰明」「天才」的人，能做什麼？
他們改變了一個產業，引領了一個時代，多次獲奧斯卡獎，加冕計算機領域最高獎——圖靈獎。
這就是剛剛出爐的2019圖靈獎得主：艾德文·卡特姆和派屈克·漢拉漢。從25年前的《玩具總動員》開始，他們引領了一種全新的計算機動畫電影類型，為電影的3D動畫時代奠定了基礎。
「兩位元老是引領計算機圖形學進入『真實感圖形』時代的關鍵人物，他們在細分曲面造型、真實感繪製等方面的基礎性貢獻和所研製的圖形渲染、動畫生成系統，改變了動畫和電影工業，使計算機圖形學進入了人們生活和工作的方方面面。」浙江大學計算機輔助設計與圖形學國家重點實驗室主任周昆告訴《中國科學報》。
革命性的貢獻
「不同於一般的研究人員，漢拉漢不僅搞科研，還創辦或聯合創辦了多家公司。這些公司展現出超乎尋常的預見性和市場活力，市場轉化十分成功。」接受《中國科學報》採訪時，北京大學前沿計算研究中心執行主任陳寶權對此表示欽佩。
據國際計算機學會（ACM） 官方公告，卡特姆和漢拉漢的工作不僅對現代圖形學的概念、算法、軟體和硬體做出了開創性貢獻，還對圖形學之外的多個領域以及圖形學相關產業帶來了巨大影響。
最耳熟能詳的就是皮克斯動畫公司。兩位先行者利用計算機圖形學技術，將早年完全靠手工畫圖、動輒上百萬元的動畫製作過程大大精簡，全部用計算機軟體來完成，創作出了《玩具總動員》《尋夢環遊記》等經典作品。
早年的動畫和影視是用手繪和實景模型的形式生成，實際上只是把現實場景拍攝出來。有了計算機圖形學技術之後，技術人員實現了通過計算機來生成虛擬數位化影像內容，即對現實的虛擬化。
「以前只能在藝術工作者手中誕生的動畫，經由圖形學技術，成功地把物理世界搬進計算機，視覺效果堪比現實，人類甚至可以藉助該技術再造一個新世界。」中國科學院自動化研究所研究員張曉鵬如此形容道。
陳寶權介紹說，動畫自此不再依靠操作人員或創作人員一幀幀地繪畫，通過技術描述場景幾何形狀、模擬光照、還原物質的材質肌理、動態動作規則等即可。當然，這一過程中也需要人為調整。」
在此基礎上，卡特姆和漢拉漢開發出了一套3D渲染系統RenderMan。利用這套系統，歷史上第一部電腦生成的3D動畫片《玩具總動員》由此誕生，直至今日，這項技術仍在廣泛應用，例如很多大片的特效模擬。
用圖形學再現一切
《鐵達尼號》《阿凡達》等電影中那些精彩絕倫的特效畫面是如何實現的？不需要現實拍攝，這一切均可由創作者想像虛構產生。而這都離不開計算機圖形學的機理和技術。
接受《中國科學報》採訪時，中國科學院自動化研究所科學藝術研究中心主任張之益介紹，計算機圖形學主要研究如何在計算機中表示圖形對象以及利用計算機進行圖形的計算、處理和顯示的相關原理與算法。
而在計算機動畫的創作過程中，貫穿整個流程的多為建模、綁定、特效、渲染等圖形學應用。
比如，讓動畫實現三維效果需要解決很多挑戰問題。北京大學智能科學系研究員袁曉如向《中國科學報》解釋，以繪畫為例，沒有受過訓練的孩子畫出的立體圖形往往前後線條、圖塊重疊在一起，沒有三維遮擋的效果。「卡特姆提出的Z緩衝就是讓計算機很快能算出來什麼東西看得見、什麼看不見。」
再比如，兩位科學家開發出的渲染工具RenderMan，它支持複雜的燈光和著色器效果，將光反射過程與幾何形狀分開，還可以計算外形上各點的顏色、透明度和紋理等效果。
同時，RenderMan系統結合了卡特姆提出的Z緩衝和細分曲面的創新。「多項技術傍身，這使得通過RenderMan生成的數字圖像比之前的任何圖像都要更真實。」陳寶權說。
「電影中人類的皮膚需要考慮半透明特殊質地。頭髮繪製中不僅要還原質地，還要實現頭髮的飄動等。而計算機圖形學設計了一套還原不同質地屬性及其運動規律的計算方法。」 袁曉如總結說，這樣複雜的場景，需要使用GPU硬體加快繪製速度。而漢拉漢提出的支持通用圖形硬體編程的Brook語言在GPU硬體發展歷史中有著重要意義。
在張之益看來，如何進行高效高質量的三維內容創作、三維世界的實時理解與分析、開發大規模可擴展的實時模擬技術和將人機互動與圖形學進行深度結合等問題，對於圖形學領域仍然是巨大的挑戰。
「圖形學最原始的夢想是用計算機的數字手段來再現自然世界的一切，目前我們已經在有限範圍實現了這一目標。」陳寶權介紹，以《阿凡達》為例，很多具有人類基礎表情和動作的虛擬人物，還無法完全自動生成。
不斷發展的圖形學
去年，國漫作品《哪吒之魔童降世》《白蛇》贏得無數票房和口碑。作品裡面栩栩如生的人物勾勒和酷炫的特效令人印象深刻。不過專家認為，在計算機圖形學研究和應用領域，我國技術人員目前還扮演著追隨者角色。
「計算機圖形學已經在我國影視動畫領域有所應用，但差距仍然存在。」陳寶權提出，差距體現在技術原創，原因之一是相關人才的缺乏。
「比如皮克斯公司除了藝術創作團隊，還有技術團隊，負責動畫新技術的研發。目前我們的動畫產業缺乏有前沿研究能力的技術人員，而技術人員只限於配合藝術創作團隊來使用好現有的技術軟體，研發能力比較局限。」
除影視動畫外，隨著硬體技術、通信技術等的發展，計算機圖形學正在越來越多的領域大顯身手。
「解決模型和繪製等基本問題後，未來的應用也還包括各種融合交互。從相關領域來看，虛擬實境、增強現實以及和圖形學密切相關的可視化都呈現出旺盛的生命力。」袁曉如提到。
在陳寶權的印象裡，自2000年起，漢拉漢就對數據可視化領域表現出了濃厚的興趣。2018年他在國際可視化大會IEEE VIS中的一個演講主題就是針對可視化的自動分析。而實際上，他也是國際知名的商業智能可視化企業Tableau的聯合創始人。
周昆認為，圖形學一個最顯著特點是學科交叉以及對技術創新的追求。
事實上，計算機圖形學研究一直不斷發展。專家表示，從卡特姆和漢拉漢等人解決了真實感問題，到後繼研究者突破實時性瓶頸，再到當前蓬勃發展的智能化浪潮和未來可以預見的高保真需求，每一次突破都需要對現有圖形學理論和方法進行變革，從而促進相關領域和應用的發展。
「此次，圖靈獎授予計算機圖形學是對該學科幾十年學術研究核心技術應用的肯定，未來不排除計算機圖形學再次獲獎的可能性。」張曉鵬認為，未來，圖形學技術將繼續向前發展，在國防軍事、遠程醫療、智慧城市、人工智慧、虛擬實境、增強現實等領域產生更多交叉研究，促進多個產業發展。
《中國科學報》 (2020-03-26 第3版 信息技術)
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