「新华日报」32年后，计算机图形学再夺图灵奖
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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采访人员 ， 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 。
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