用图形学创造一个新世界

 
走近2019图灵奖获得者  
用图形学创造一个新世界  
用图形学创造一个新世界  

与乔布斯共事26年，被乔布斯屡次称赞 “非常聪明”“天才”的人，能做什么？

他们改变了一个产业，引领了一个时代，多次获奥斯卡奖，加冕计算机领域最高奖——图灵奖。

这就是刚刚出炉的2019图灵奖得主：艾德文·卡特姆和帕特里克·汉拉汉。从25年前的《玩具总动员》开始，他们引领了一种全新的计算机动画电影类型，为电影的3D动画时代奠定了基础。

“两位元老是引领计算机图形学进入‘真实感图形’时代的关键人物，他们在细分曲面造型、真实感绘制等方面的基础性贡献和所研制的图形渲染、动画生成系统，改变了动画和电影工业，使计算机图形学进入了人们生活和工作的方方面面。”浙江大学计算机辅助设计与图形学国家重点实验室主任周昆告诉《中国科学报》。

革命性的贡献

“不同于一般的研究人员，汉拉汉不仅搞科研，还创办或联合创办了多家公司。这些公司展现出超乎寻常的预见性和市场活力，市场转化十分成功。”接受《中国科学报》采访时，北京大学前沿计算研究中心执行主任陈宝权对此表示钦佩。

据国际计算机学会（ACM） 官方公告，卡特姆和汉拉汉的工作不仅对现代图形学的概念、算法、软件和硬件做出了开创性贡献，还对图形学之外的多个领域以及图形学相关产业带来了巨大影响。

最耳熟能详的就是皮克斯动画公司。两位先行者利用计算机图形学技术，将早年完全靠手工画图、动辄上百万元的动画制作过程大大精简，全部用计算机软件来完成，创作出了《玩具总动员》《寻梦环游记》等经典作品。

早年的动画和影视是用手绘和实景模型的形式生成，实际上只是把现实场景拍摄出来。有了计算机图形学技术之后，技术人员实现了通过计算机来生成虚拟数字化影像内容，即对现实的虚拟化。

“以前只能在艺术工作者手中诞生的动画，经由图形学技术，成功地把物理世界搬进计算机，视觉效果堪比现实，人类甚至可以借助该技术再造一个新世界。”中国科学院自动化研究所研究员张晓鹏如此形容道。

陈宝权介绍说，动画自此不再依靠操作人员或创作人员一帧帧地绘画，通过技术描述场景几何形状、模拟光照、还原物质的材质肌理、动态动作规则等即可。当然，这一过程中也需要人为调整。”

在此基础上，卡特姆和汉拉汉开发出了一套3D渲染系统RenderMan。利用这套系统，历史上第一部电脑生成的3D动画片《玩具总动员》由此诞生，直至今日，这项技术仍在广泛应用，例如很多大片的特效模拟。

用图形学再现一切

《泰坦尼克号》《阿凡达》等电影中那些精彩绝伦的特效画面是如何实现的？不需要现实拍摄，这一切均可由创作者想象虚构产生。而这都离不开计算机图形学的机理和技术。

接受《中国科学报》采访时，中国科学院自动化研究所科学艺术研究中心主任张之益介绍，计算机图形学主要研究如何在计算机中表示图形对象以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。

而在计算机动画的创作过程中，贯穿整个流程的多为建模、绑定、特效、渲染等图形学应用。

比如，让动画实现三维效果需要解决很多挑战问题。北京大学智能科学系研究员袁晓如向《中国科学报》解释，以绘画为例，没有受过训练的孩子画出的立体图形往往前后线条、图块重叠在一起，没有三维遮挡的效果。“卡特姆提出的Z缓冲就是让计算机很快能算出来什么东西看得见、什么看不见。”