計(jì)算機(jī)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(dòng)畫制作，到游戲開發(fā)，再到互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的交互等，都能看到它深入其中。

一直以來(lái)，如《尋夢(mèng)環(huán)游記》《阿凡達(dá)》及《美女與野獸》等動(dòng)畫電影，以生動(dòng)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(xiàn)，他們就是皮克斯的兩位聯(lián)合創(chuàng)始人，計(jì)算機(jī)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(guó)際計(jì)算協(xié)會(huì)(ACM)將2019年圖靈獎(jiǎng)授予他們二人，以表彰他們對(duì)3D計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的貢獻(xiàn)，以及這些技術(shù)對(duì)電影制作和計(jì)算機(jī)生成圖像(CGI)的重要影響。

素有“計(jì)算機(jī)界諾貝爾獎(jiǎng)”之稱的圖靈獎(jiǎng)規(guī)格極高，通常一年只授予一名計(jì)算機(jī)科學(xué)家，只有少數(shù)情況下才會(huì)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(jiǎng)，也是繼1988年之后，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)再次加冕這項(xiàng)桂冠。

實(shí)現(xiàn)物體全方位形狀的數(shù)字化

究竟什么是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)?獲獎(jiǎng)?wù)邼h拉罕的話或許可以透露出一些信息——“我認(rèn)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(jiǎn)單地說(shuō)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)主要研究如何在計(jì)算機(jī)中用代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)圖形，以及利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形的計(jì)算和處理，內(nèi)容主要包含建模、渲染、動(dòng)畫和人機(jī)交互。這些技術(shù)是各類動(dòng)態(tài)仿真應(yīng)用的核心技術(shù)，可以極大提高虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的沉浸感。而3D計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是指用計(jì)算機(jī)自動(dòng)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(yuǎn)望智庫(kù)AI事業(yè)部部長(zhǎng)、圖靈機(jī)器人首席戰(zhàn)略官譚茗洲指出：“實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)最大的難點(diǎn)在于，一是繪制曲面，很多物體和人體不是規(guī)則的長(zhǎng)方體、正方體或球體，而是相對(duì)柔軟、自由的曲面體;再一個(gè)是渲染，也就是給三維模型填充顏色和陰影的過(guò)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(jué)上會(huì)覺(jué)得它們有立體感，如何生成自然的顏色和陰影就是3D計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中最關(guān)鍵的部分。”

用計(jì)算機(jī)來(lái)復(fù)刻3D形象，就要實(shí)現(xiàn)物體360°全方位形狀的數(shù)字化，在計(jì)算機(jī)圖形領(lǐng)域，一個(gè)簡(jiǎn)單的圖形可能需要幾萬(wàn)行代碼才能實(shí)現(xiàn)，要建立一個(gè)完整的立體形象，更是難上加難。人物細(xì)微的表情變化、動(dòng)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(jì)算機(jī)圖形學(xué)建模方法一一刻畫?？梢哉f(shuō)，3D動(dòng)畫就等于用計(jì)算機(jī)重建一個(gè)世界，技術(shù)門檻極高。

促成計(jì)算機(jī)技術(shù)和電影“聯(lián)姻”

在3D動(dòng)畫出現(xiàn)之前，我們所看到的2D動(dòng)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(lái)每分鐘至少要制作1440張畫面。我國(guó)傳統(tǒng)動(dòng)畫電影《大鬧天宮》就是采用了這種制作模式，在當(dāng)時(shí)沒(méi)有數(shù)字技術(shù)的情況下，僅是手工繪制就用了兩年多時(shí)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(dòng)畫依舊需要大量的人工手繪，十分費(fèi)時(shí)、費(fèi)錢、費(fèi)力。

有業(yè)內(nèi)人士評(píng)價(jià)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)改變了一個(gè)產(chǎn)業(yè)，開創(chuàng)了一個(gè)時(shí)代。沒(méi)有計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，就沒(méi)有3D動(dòng)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(jiǎng)原因：他們?cè)诟拍顒?chuàng)新和軟硬件方面的貢獻(xiàn)，對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)產(chǎn)生了根本性的影響，并對(duì)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(dòng)畫電影《玩具總動(dòng)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(jì)算機(jī)制作的動(dòng)畫電影，可以說(shuō)，促成了計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)科學(xué)博士學(xué)位。在讀書期間，他遇到了他的導(dǎo)師——“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)之父”伊萬(wàn)·薩瑟蘭。在伊萬(wàn)·薩瑟蘭的帶領(lǐng)下，他意識(shí)到，當(dāng)時(shí)新興的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)將成為動(dòng)畫行業(yè)的基礎(chǔ)，這剛好結(jié)合了他的兩項(xiàng)愛(ài)好——計(jì)算機(jī)和動(dòng)畫。卡特莫爾創(chuàng)新性地發(fā)明了兩個(gè)計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(shí)感的圖形，成功助推了《終結(jié)者2：審判日》和《侏羅紀(jì)公園》等多款爆品。卡特莫爾和漢拉罕的技術(shù)支持，也讓全世界看到了一種全新的、完全由計(jì)算機(jī)制作的動(dòng)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(yàn)的方式，同時(shí)也對(duì)更廣泛的娛樂(lè)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。”在如今全球價(jià)值1380億美元的電影行業(yè)之中，3D動(dòng)畫影片已成為深受人們歡迎的類型之一。

圖靈獎(jiǎng)并不是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的終點(diǎn)

鑒于圖靈獎(jiǎng)在業(yè)界至高的地位，有研究者認(rèn)為，如果一項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明者被授予圖靈獎(jiǎng)，那就說(shuō)明這個(gè)領(lǐng)域的原始開拓“做到頭了”，接下來(lái)就會(huì)進(jìn)入修修補(bǔ)補(bǔ)和大規(guī)模應(yīng)用的階段。今年的獲獎(jiǎng)名單剛一公布，就有計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域研究者順勢(shì)喊出“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)結(jié)束了!”

針對(duì)此事，謝里評(píng)價(jià)道：“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是ACM協(xié)會(huì)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(xiàn)證明，一項(xiàng)專用的計(jì)算技術(shù)可以對(duì)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(yǔ)言方面的研究，使得這些語(yǔ)言被用作更廣泛領(lǐng)域內(nèi)的通用計(jì)算引擎，包括高性能計(jì)算領(lǐng)域。”

回顧歷史不難發(fā)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)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(dòng)畫制作，到游戲開發(fā)，再到互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的交互等，都能看到它深入其中。然而時(shí)代在發(fā)展，技術(shù)在進(jìn)步，應(yīng)用需求也在不斷發(fā)生變化。以上這些場(chǎng)景的技術(shù)研發(fā)或許已經(jīng)滿足了需求，但計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的前景依舊十分廣闊。

“我們不得不承認(rèn)，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(diǎn)是，這些研究成果會(huì)在未來(lái)幾年對(duì)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(jí)研究員、人工智能高級(jí)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(jì)算機(jī)圖形學(xué)未來(lái)將應(yīng)用在機(jī)器人、3D打印、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、數(shù)字化孿生等場(chǎng)景。

其實(shí)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)目前在虛擬現(xiàn)實(shí)方面已經(jīng)有所應(yīng)用，例如之前故宮展出的“動(dòng)起來(lái)”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(dòng)地重現(xiàn)了一千多年前的生活情景。這種體驗(yàn)式沉浸數(shù)字藝術(shù)，同時(shí)也為中國(guó)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(lái)我們將期待計(jì)算機(jī)圖形學(xué)新的革命，出現(xiàn)更加自然、以人為本的人機(jī)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(jì)算機(jī)圖形學(xué)進(jìn)一步的研究。(華凌)

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