用計算機“再造”新世界

本報記者 華 凌

計算機圖形學歷次大的變革均與工業應用密切相關,從動畫制作,到游戲開發,再到互聯網時代的交互等,都能看到它深入其中。

一直以來,如《尋夢環游記》《阿凡達》及《美女與野獸》等動畫電影,以生動逼真的畫面帶給了人們美好的享受。殊不知這樣引人入勝的藝術背后,有著兩位技術大腕的卓越貢獻,他們就是皮克斯的兩位聯合創始人,計算機圖形科學專家卡特莫爾和斯坦福大學教授漢拉罕。

近日,國際計算協會(ACM)將2019年圖靈獎授予他們二人,以表彰他們對3D計算機圖形學的貢獻,以及這些技術對電影制作和計算機生成圖像(CGI)的重要影響。

素有“計算機界諾貝爾獎”之稱的圖靈獎規格極高,通常一年只授予一名計算機科學家,只有少數情況下才會有兩名合作者或在同一方向獲得巨大突破的科學家獲此殊榮。這次頒獎,也是繼1988年之后,計算機圖形學再次加冕這項桂冠。

實現物體全方位形狀的數字化

究竟什么是計算機圖形學?獲獎者漢拉罕的話或許可以透露出一些信息——“我認為我們可以把抽象概念、數學和算法轉換成圖像,這是世界上最酷的事兒。”

簡單地說,計算機圖形學主要研究如何在計算機中用代碼來實現圖形,以及利用計算機進行圖形的計算和處理,內容主要包含建模、渲染、動畫和人機交互。這些技術是各類動態仿真應用的核心技術,可以極大提高虛擬現實系統的沉浸感。而3D計算機圖形學是指用計算機自動繪制三維的物體、人體等,目標是盡可能逼真,最好能夠“以假亂真”。

遠望智庫AI事業部部長、圖靈機器人首席戰略官譚茗洲指出:“實現這個目標最大的難點在于,一是繪制曲面,很多物體和人體不是規則的長方體、正方體或球體,而是相對柔軟、自由的曲面體;再一個是渲染,也就是給三維模型填充顏色和陰影的過程,照片和視頻顯示在二維平面上,受到光照和顏色、陰影等影響,視覺上會覺得它們有立體感,如何生成自然的顏色和陰影就是3D計算機圖形學中最關鍵的部分。”

用計算機來復刻3D形象,就要實現物體360°全方位形狀的數字化,在計算機圖形領域,一個簡單的圖形可能需要幾萬行代碼才能實現,要建立一個完整的立體形象,更是難上加難。人物細微的表情變化、動物栩栩如生的毛發、隨風出現的水流波紋等,全部需要利用計算機圖形學建模方法一一刻畫。可以說,3D動畫就等于用計算機重建一個世界,技術門檻極高。

促成計算機技術和電影“聯姻”

在3D動畫出現之前,我們所看到的2D動畫電影,都是由一幀幀固定畫面組成的。例如,視頻通常采用的是24幀,即每秒播放24幅畫面,這樣一來每分鐘至少要制作1440張畫面。我國傳統動畫電影《大鬧天宮》就是采用了這種制作模式,在當時沒有數字技術的情況下,僅是手工繪制就用了兩年多時間。此后幾十年間,盡管數字技術在不斷成熟,但到了今天,2D動畫依舊需要大量的人工手繪,十分費時、費錢、費力。

有業內人士評價,計算機圖形學改變了一個產業,開創了一個時代。沒有計算機圖形學,就沒有3D動畫電影。

從ACM的官方公告上,我們能夠看到卡特莫爾和漢拉罕的獲獎原因:他們在概念創新和軟硬件方面的貢獻,對計算機圖形學產生了根本性的影響,并對這些技術在影視制作和CGI等應用上產生了革命性影響。

“1995年出現的第一部3D動畫電影《玩具總動員》,就是出自卡特莫爾和漢拉罕之手。他們創造了一種全新的、完全由計算機制作的動畫電影,可以說,促成了計算機技術和電影‘聯姻’。”譚茗洲表示。

卡特莫爾于1974年在猶他大學獲得計算機科學博士學位。在讀書期間,他遇到了他的導師——“計算機圖形學之父”伊萬·薩瑟蘭。在伊萬·薩瑟蘭的帶領下,他意識到,當時新興的計算機圖形學將成為動畫行業的基礎,這剛好結合了他的兩項愛好——計算機和動畫。卡特莫爾創新性地發明了兩個計算機圖形學的基本技術——紋理映射和B樣條,開發了最早的3D顯示算法和多邊形映射技術以逼近復雜的曲面。

在盧卡斯影業工作期間,卡特莫爾和漢拉罕等研究人員一起開發出一套著色技術和相應的軟件“渲染者”,令計算機能夠成功地將光反射行為與幾何形狀分開,從而生成極具真實感的圖形,成功助推了《終結者2:審判日》和《侏羅紀公園》等多款爆品。卡特莫爾和漢拉罕的技術支持,也讓全世界看到了一種全新的、完全由計算機制作的動畫影像。

正如ACM主席凱里·謝里所言:“CGI圖像開發改變了電影制作和體驗的方式,同時也對更廣泛的娛樂產業產生深遠影響。”在如今全球價值1380億美元的電影行業之中,3D動畫影片已成為深受人們歡迎的類型之一。

圖靈獎并不是計算機圖形學的終點

鑒于圖靈獎在業界至高的地位,有研究者認為,如果一項技術的發明者被授予圖靈獎,那就說明這個領域的原始開拓“做到頭了”,接下來就會進入修修補補和大規模應用的階段。今年的獲獎名單剛一公布,就有計算機圖形學領域研究者順勢喊出“計算機圖形學結束了!”

針對此事,謝里評價道:“計算機圖形學是ACM協會中最大且最具活力的研究領域之一。卡特莫爾和漢拉罕的貢獻證明,一項專用的計算技術可以對其他領域產生重大影響。例如,漢拉罕在圖形處理器(GPU)著色語言方面的研究,使得這些語言被用作更廣泛領域內的通用計算引擎,包括高性能計算領域。”

回顧歷史不難發現,計算機圖形學歷次大的變革均與工業應用密切相關,從動畫制作,到游戲開發,再到互聯網時代的交互等,都能看到它深入其中。然而時代在發展,技術在進步,應用需求也在不斷發生變化。以上這些場景的技術研發或許已經滿足了需求,但計算機圖形學的前景依舊十分廣闊。

“我們不得不承認,這兩位科學家數十年前的研究成果依然是現今該領域的標準。但更重要的一點是,這些研究成果會在未來幾年對AR、VR、數據可視化、教育、醫學影像等諸多領域產生影響。”谷歌高級研究員、人工智能高級副總裁杰夫·狄恩表示。

微軟亞洲研究院網絡圖形組也曾指出,計算機圖形學未來將應用在機器人、3D打印、虛擬現實、增強現實、數字化孿生等場景。

其實,計算機圖形學目前在虛擬現實方面已經有所應用,例如之前故宮展出的“動起來”的《清明上河圖》,就是技術人員采用了三維布局恢復算法和虛擬環境組織方法,生動地重現了一千多年前的生活情景。這種體驗式沉浸數字藝術,同時也為中國傳統繪畫的數字化再現開創了新的思路。

有業內人士指出,未來我們將期待計算機圖形學新的革命,出現更加自然、以人為本的人機交互方式,以及更具革命性和顛覆性的圖形生成和顯示技術,這一切都有待于計算機圖形學進一步的研究。

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