用計算機“再造”新世界 實現(xiàn)物體全方位形狀的數(shù)字化

計算機圖形學(xué)歷次大的變革均與工業(yè)應(yīng)用密切相關(guān)，從動畫制作，到游戲開發(fā)，再到互聯(lián)網(wǎng)時代的交互等，都能看到它深入其中。

一直以來，如《尋夢環(huán)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(shù)背后，有著兩位技術(shù)大腕的卓越貢獻，他們就是皮克斯的兩位聯(lián)合創(chuàng)始人，計算機圖形科學(xué)專家卡特莫爾和斯坦福大學(xué)教授漢拉罕。

近日，國際計算協(xié)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(xué)的貢獻，以及這些技術(shù)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(guī)格極高，通常一年只授予一名計算機科學(xué)家，只有少數(shù)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(xué)家獲此殊榮。這次頒獎，也是繼1988年之后，計算機圖形學(xué)再次加冕這項桂冠。

實現(xiàn)物體全方位形狀的數(shù)字化

究竟什么是計算機圖形學(xué)?獲獎?wù)邼h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(shù)學(xué)和算法轉(zhuǎn)換成圖像，這是世界上最酷的事兒。”

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

遠望智庫AI事業(yè)部部長、圖靈機器人首席戰(zhàn)略官譚茗洲指出：“實現(xiàn)這個目標(biāo)最大的難點在于，一是繪制曲面，很多物體和人體不是規(guī)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(xué)中最關(guān)鍵的部分。”

用計算機來復(fù)刻3D形象，就要實現(xiàn)物體360°全方位形狀的數(shù)字化，在計算機圖形領(lǐng)域，一個簡單的圖形可能需要幾萬行代碼才能實現(xiàn)，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(fā)、隨風(fēng)出現(xiàn)的水流波紋等，全部需要利用計算機圖形學(xué)建模方法一一刻畫?？梢哉f，3D動畫就等于用計算機重建一個世界，技術(shù)門檻極高。

促成計算機技術(shù)和電影“聯(lián)姻”

在3D動畫出現(xiàn)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(tǒng)動畫電影《大鬧天宮》就是采用了這種制作模式，在當(dāng)時沒有數(shù)字技術(shù)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(shù)字技術(shù)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(yè)內(nèi)人士評價，計算機圖形學(xué)改變了一個產(chǎn)業(yè)，開創(chuàng)了一個時代。沒有計算機圖形學(xué)，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(chuàng)新和軟硬件方面的貢獻，對計算機圖形學(xué)產(chǎn)生了根本性的影響，并對這些技術(shù)在影視制作和CGI等應(yīng)用上產(chǎn)生了革命性影響。

“1995年出現(xiàn)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(chuàng)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(shù)和電影‘聯(lián)姻’。”譚茗洲表示。

卡特莫爾于1974年在猶他大學(xué)獲得計算機科學(xué)博士學(xué)位。在讀書期間，他遇到了他的導(dǎo)師——“計算機圖形學(xué)之父”伊萬·薩瑟蘭。在伊萬·薩瑟蘭的帶領(lǐng)下，他意識到，當(dāng)時新興的計算機圖形學(xué)將成為動畫行業(yè)的基礎(chǔ)，這剛好結(jié)合了他的兩項愛好——計算機和動畫?？ㄌ啬獱杽?chuàng)新性地發(fā)明了兩個計算機圖形學(xué)的基本技術(shù)——紋理映射和B樣條，開發(fā)了最早的3D顯示算法和多邊形映射技術(shù)以逼近復(fù)雜的曲面。

在盧卡斯影業(yè)工作期間，卡特莫爾和漢拉罕等研究人員一起開發(fā)出一套著色技術(shù)和相應(yīng)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(jié)者2：審判日》和《侏羅紀公園》等多款爆品?？ㄌ啬獱柡蜐h拉罕的技術(shù)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(fā)改變了電影制作和體驗的方式，同時也對更廣泛的娛樂產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生深遠影響。”在如今全球價值1380億美元的電影行業(yè)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(xué)的終點

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

針對此事，謝里評價道：“計算機圖形學(xué)是ACM協(xié)會中最大且最具活力的研究領(lǐng)域之一?？ㄌ啬獱柡蜐h拉罕的貢獻證明，一項專用的計算技術(shù)可以對其他領(lǐng)域產(chǎn)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(lǐng)域內(nèi)的通用計算引擎，包括高性能計算領(lǐng)域。”

回顧歷史不難發(fā)現(xiàn)，計算機圖形學(xué)歷次大的變革均與工業(yè)應(yīng)用密切相關(guān)，從動畫制作，到游戲開發(fā)，再到互聯(lián)網(wǎng)時代的交互等，都能看到它深入其中。然而時代在發(fā)展，技術(shù)在進步，應(yīng)用需求也在不斷發(fā)生變化。以上這些場景的技術(shù)研發(fā)或許已經(jīng)滿足了需求，但計算機圖形學(xué)的前景依舊十分廣闊。

“我們不得不承認，這兩位科學(xué)家數(shù)十年前的研究成果依然是現(xiàn)今該領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)。但更重要的一點是，這些研究成果會在未來幾年對AR、VR、數(shù)據(jù)可視化、教育、醫(yī)學(xué)影像等諸多領(lǐng)域產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)圖形組也曾指出，計算機圖形學(xué)未來將應(yīng)用在機器人、3D打印、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、數(shù)字化孿生等場景。

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

有業(yè)內(nèi)人士指出，未來我們將期待計算機圖形學(xué)新的革命，出現(xiàn)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(shù)，這一切都有待于計算機圖形學(xué)進一步的研究。(記者華凌)

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