用计算机“再造”新世界

计算机图形学以前的所有重大变化都与工业应用密切相关，从动画制作到游戏开发，到互联网时代的互动等等，我们可以看到它正在深入其中。

长期以来，动画电影如《梦之旅》、《阿凡达》和《美女与野兽》都以生动逼真的画面带给人们美好的享受。然而，在这迷人的艺术背后，是两位伟大的技术专家的杰出贡献:皮克斯的两位共同创始人，计算机图形科学专家卡特莫尔和斯坦福大学教授汉拉汉。

最近，国际计算协会(ACM)授予他们2019年图灵奖，以表彰他们对3D计算机图形学的贡献以及这些技术对电影制作和计算机生成图像(CGI)的重要影响。

被称为“计算机世界的诺贝尔奖”的图灵奖具有极高的规格。它通常一年只授予一名计算机科学家。只有在少数情况下，在同一个方向取得重大突破的两位合作者或科学家才能赢得这一荣誉。1988年后，该奖项也由计算机图形学获得。

实现物体全方位形状的数字化

计算机图形学到底是什么？获胜者汉拉汉的话可能会透露一些信息:“我认为我们可以将抽象概念、数学和算法转化为图像，这是世界上最酷的事情。”

简而言之，计算机图形学主要研究如何用代码在计算机中实现图形，以及如何用计算机计算和处理图形。其内容主要包括建模、渲染、动画和人机交互。这些技术是各种动态仿真应用的核心技术，可以极大地提高虚拟现实系统的沉浸感。然而，3D计算机图形指的是3D对象、人体等的自动绘制。用电脑。目标是尽可能的现实，最好是“混淆真假”。

王源智库人工智能部部长、图灵机器人首席战略官谭明洲指出:“实现这一目标的最大困难是绘制曲面。许多物体和人体不是规则的立方体、立方体或球体，而是相对柔软和*的曲面。另一个是渲染，也就是将颜色和阴影填充到三维模型中的过程。照片和视频显示在二维平面上。在光照、颜色和阴影的影响下，它们在视觉上被认为是立体的。如何生成自然的颜色和阴影是三维计算机图形学中最关键的部分。”

为了用计算机再现三维图像，有必要实现物体360度全方位形状的数字化。在计算机图形学领域，一个简单的图形可能需要数万行代码才能实现，而建立一个完整的三维图像就更加困难了。人物微妙的表情变化，栩栩如生的动物毛发，随风流动的水波都需要用计算机图形建模的方法来描绘。可以说，3D动画相当于用电脑重建一个世界，技术门槛极高。

促进计算机技术与电影的“联姻”

在3D动画出现之前，我们看到的所有2D动画电影都是由固定画面组成的。例如，视频通常使用24帧，即每秒24帧，因此每分钟至少产生1440帧。这是传统动画电影《天网恢恢》采用的制作模式。在当时没有数字技术的情况下，手工绘制花了两年多的时间。在接下来的几十年里，虽然数字技术已经日趋成熟，但今天的2D动画仍然需要大量的手工绘制，这非常耗时、昂贵且费力。

一些业内人士评论说，计算机图形改变了一个行业，迎来了一个时代。没有计算机图形，就不会有3D动画电影。

从ACM的官方声明中，我们可以看到卡特莫尔和亚伯拉罕获奖的原因:他们在概念创新和软硬件方面的贡献对计算机图形学产生了根本性的影响，并对这些技术在电影和电视制作以及计算机图像处理中的应用产生了革命性的影响。

1995年出现的第一部3D动画电影《玩具总动员》是卡特莫尔和亚伯拉罕写的。他们创造了一部全新的完全由电脑制作的动画电影，可以说是促成了电脑技术和电影的“联姻”谭明舟说道。

卡特莫尔于1974年获得犹他大学计算机科学博士学位。在学习期间，他遇到了他的导师，“计算机图形之父”，伊凡·苏泽兰。在伊凡·苏泽兰的带领下，他意识到当时新兴的计算机图形学将成为动画产业的基础，这正好结合了他的两大爱好——计算机和动画。卡特莫尔创造性地发明了计算机图形学的两项基本技术——纹理映射和B样条，发展了最早的三维显示算法和多边形映射技术来逼近复杂曲面。

在卢卡斯影业工作期间，卡特莫尔和亚伯拉罕等研究人员开发了一套着色技术和相应的软件“渲染器”，使计算机能够成功地将光反射行为从几何形状中分离出来，从而生成高度逼真的图形，并成功地增加了一些爆炸物，如“终结者2:审判日”和“侏罗纪公园”。在卡特莫尔和亚伯拉罕的技术支持下，世界也看到了完全由电脑制作的全新动画。

正如美国电影协会主席凯里·雪莉所说:“电脑图像的发展改变了电影的制作和体验方式，也对更广泛的娱乐行业产生了深远的影响。”在当今价值1380亿美元的全球电影产业中，3D动画电影已经成为流行类型之一。

图灵奖不是计算机图形学的终点

鉴于图灵奖在行业中的高地位，一些研究人员认为，如果一项技术的发明者被授予图灵奖，这意味着该领域的原始发展已经“达到了它的第一个目标”，然后它将进入修复和大规模应用的阶段。今年的获奖者一宣布，计算机图形学领域的研究人员就喊道:“计算机图形学结束了！”

作为回应，雪莉评论道，“计算机图形学是ACM协会中最大和最有活力的研究领域之一。卡特莫尔和亚伯拉罕的贡献证明了专用计算技术可以对其他领域产生重大影响。例如，亚伯拉罕对图形处理器(GPU)着色语言的研究使这些语言能够在更广泛的领域中用作通用计算引擎，包括高性能计算。”

回顾历史，不难发现计算机图形学以前的所有重大变化都与工业应用密切相关。从动画制作到游戏开发，再到互联网时代的互动，我们可以看到它正在深入到它们之中。然而，时代在发展，技术在进步，应用需求在不断变化。这些场景的技术研发可能已经满足了需求，但是计算机图形学的前景仍然非常广阔。

“我们不得不承认，这两位科学家几十年前的研究成果仍然是这一领域的现行标准。但更重要的是，这些研究成果将在未来几年对增强现实、虚拟现实、数据可视化、教育、医学成像和许多其他领域产生影响。”谷歌高级研究员、人工智能高级副总裁杰夫·迪恩说。

微软亚洲研究院网络图形小组也指出，计算机图形将在未来应用于机器人、3D打印、虚拟现实、增强现实、数字双胞胎等场景。

事实上，目前计算机图形学已经应用于虚拟现实。例如，以前在故宫展出的《清明上河图》就是技术人员利用三维布局复原算法和虚拟环境组织方法，生动再现了1000多年前的生活场景。这种体验性的沉浸式数字艺术也为中国画的数字复制开辟了新的思路。

业内人士指出，未来我们将期待一场计算机图形学的新革命，一场更加自然和以人为本的人机交互，以及更加革命性和颠覆性的图形生成和显示技术，所有这些都需要计算机图形学的进一步研究。