用图形学创造一个新世界

与乔布斯共事26年后，被乔布斯反复称赞为“非常聪明”和“有才华”的人能做些什么？

他们改变了一个行业，引领了一个时代。他们赢得了许多奥斯卡奖，并获得了计算机领域的最高奖项——图灵奖。

这是刚刚发布的2019年图灵奖获奖者:埃德温·卡特莫尔和帕特里克·汉拉汉。从25年前的《玩具总动员》开始，他们引领了一种新型的电脑动画电影，为3D动画电影时代奠定了基础。

“两位长者是引领计算机图形学进入‘现实图形’时代的关键人物。他们在细分曲面建模、真实感绘制等方面的基本贡献，以及他们开发的图形渲染和动画生成系统，改变了动画和电影行业，将计算机图形学引入到人们生活和工作的各个方面。”浙江大学计算机辅助设计与制图国家重点实验室主任周坤告诉《中国科学日报》。

革命贡献

“与普通研究人员不同，汉拉汉不仅从事科学研究，还创办或共同创办了许多公司。这些公司表现出非凡的远见和市场活力，市场转型非常成功。”在接受《中国科学》采访时，北京大学高级计算研究中心执行主任陈宝全对此表示赞赏。

根据国际计算机学会(ACM)的官方声明，卡瑟姆和汉拉汉的工作不仅对现代图形的概念、算法、软件和硬件做出了开创性的贡献，还对图形和图形相关行业以外的许多领域产生了巨大影响。

最熟悉的是皮克斯动画。两位先驱利用计算机图形技术极大地简化了动画制作过程，早期动画制作完全依赖手工绘制，花费数百万美元，并通过计算机软件完成，创作了《玩具总动员》和《梦想之旅》等经典作品。

在早期，动画、电影和电视是以手绘和真人模型的形式制作的。事实上，他们只拍摄真实的场景。借助计算机图形技术，技术人员通过计算机生成虚拟数字图像内容，实现了现实的虚拟化。

“动画曾经只由艺术家创作，通过图形技术成功地将物理世界带入了计算机。视觉效果与现实相当。人类甚至可以通过这项技术重建一个新世界。”中国科学院自动化研究所的研究员张晓鹏说。

陈宝全表示，动画将不再依赖操作者或创作者逐帧绘制，而只能描述场景的几何形状、模拟灯光、恢复材质的材质纹理、动态动作规则等。当然，这个过程也需要人的调整。"

在此基础上，卡特和汉拉汉开发了3D渲染系统RenderMan。有了这个系统，第一部计算机生成的3D动画电影《玩具总动员》诞生了。直到今天，这种技术仍被广泛使用，例如许多大型电影的特效模拟。

用图形再现一切

《泰坦尼克号》和《阿凡达》等电影中的精彩特效是如何实现的？不需要真正的拍摄，所有这些都可以通过创作者的想象和虚构来实现。然而，这离不开计算机图形学的机制和技术。

中国科学院自动化研究所科学艺术研究中心主任张志毅在接受《中国科学日报》采访时介绍说，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如何使用计算机计算、处理和显示图形的相关原理和算法。

在计算机动画的创作过程中，建模、绑定、特效、渲染等图形应用贯穿整个过程。

例如，让动画实现三维效果需要解决许多挑战。北京大学智能科学系的研究员袁晓茹向《中国科学报》解释说，以绘画为例，未受过训练的孩子画的三维图形往往前后线条和块重叠，没有三维遮挡的效果。"卡特的Z缓冲是让计算机快速计算出什么是可见的，什么是不可见的."

另一个例子是RenderMan，这是一个由两位科学家开发的渲染工具，它支持复杂的照明和着色器效果，将光反射过程从几何图形中分离出来，并且还可以计算颜色、透明度、纹理和形状上各种点的其他效果。

同时，RenderMan系统结合了卡特提出的Z缓冲和细分曲面的创新。"这涉及到许多技术，使得由RenderMan生成的数字图像比以前的任何图像都更加逼真。"陈宝全说。

“电影中的人类皮肤需要考虑半透明的特殊纹理。头发绘画不仅要恢复纹理，还要实现头发的飘动。然而，计算机图形学设计了一套计算方法来恢复不同的纹理属性及其运动规律袁总结说，这样复杂的场景需要GPU硬件加速渲染。由汉拉汉提出的支持通用图形硬件编程的布鲁克语言在GPU硬件发展史上具有重要意义。

在张志毅看来，如何创建高效、高质量的3D内容，实时理解和分析3D世界，开发大规模、可扩展的实时仿真技术，将人机交互与图形深度结合，仍然是图形领域面临的巨大挑战。

“图形的最初梦想是通过计算机的数字手段再现自然界的一切。目前，我们已经在有限的范围内实现了这一目标。”陈宝全说，以《阿凡达》为例，许多具有基本人类表情和动作的虚拟角色无法完全自动生成。

进化图形

去年，郭曼的作品《水仙的魔鬼孩子》和《白蛇》赢得了无数的票房和公众的赞誉。作品中生动的人物和酷酷的特效给人留下深刻印象。然而，专家认为，在计算机图形学的研究和应用领域，中国的技术人员仍然扮演着追随者的角色。

“计算机图形学在我国影视动画领域已经得到应用，但差距仍然存在。”陈宝全指出，造成这一差距的原因之一是相关人才的缺乏。

“例如，除了艺术创作团队，皮克斯还有一个技术团队，负责新动画技术的研发。目前，我国动画产业缺乏具有前沿研究能力的技术人员，技术人员仅限于与艺术创作团队合作，充分利用现有的技术软件，研发能力相对有限。”

除了电影和电视动画，随着硬件技术和通信技术的发展，计算机图形学在越来越多的领域显示出它的威力。

“在解决了建模和渲染等基本问题后，未来的应用还将包括各种集成交互。就相关领域而言，与图形密切相关的虚拟现实、增强现实和可视化都显示出旺盛的生命力。”袁小茹提到。

在陈宝全的印象中，韩腊涵从2000年开始就对数据可视化领域表现出极大的兴趣。2018年，他在国际可视化会议上的一次演讲聚焦于可视化的自动分析。事实上，他还是国际知名商业智能可视化企业Tableau的联合创始人。

周坤认为，图形最突出的特点之一是跨学科和追求技术创新。

事实上，计算机图形学的研究一直在不断发展。专家表示，每一个突破都需要改变现有的图形理论和方法，以促进相关领域和应用的发展，从解决现实问题的Catham和Hanrahan等人，到突破实时性能瓶颈的后续研究人员，再到当前蓬勃发展的智能潮流和未来可预见的高保真需求。

“这一次，图灵奖颁给了计算机图形学，这是对该学科几十年学术研究中核心技术应用的肯定。未来不排除赢得另一个计算机图形奖项的可能性。”张晓鹏相信，在未来，图形技术将继续向前发展，在国防和军事、远程医疗、智能城市、人工智能、虚拟现实、增强现实等领域产生更多的交叉研究，以促进多种产业的发展。