用计算机“再造”新世界

　　计算机图形学历次大的变革均与工业应用密切相关，从动画制作，到游戏开发，再到互联网时代的交互等，都能看到它深入其中。

　　一直以来，如《寻梦环游记》《阿凡达》及《美女与野兽》等动画电影，以生动逼真的画面带给了人们美好的享受。殊不知这样引人入胜的艺术背后，有着两位技术大腕的卓越贡献，他们就是皮克斯的两位联合创始人，计算机图形科学专家卡特莫尔和斯坦福大学教授汉拉罕。

　　近日，国际计算协会（ACM）将2019年图灵奖授予他们二人，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。

　　素有“计算机界诺贝尔奖”之称的图灵奖规格极高，通常一年只授予一名计算机科学家，只有少数情况下才会有两名合作者或在同一方向获得巨大突破的科学家获此殊荣。这次颁奖，也是继1988年之后，计算机图形学再次加冕这项桂冠。

　　实现物体全方位形状的数字化

　　究竟什么是计算机图形学？获奖者汉拉罕的话或许可以透露出一些信息——“我认为我们可以把抽象概念、数学和算法转换成图像，这是世界上最酷的事儿。”

　　简单地说，计算机图形学主要研究如何在计算机中用代码来实现图形，以及利用计算机进行图形的计算和处理，内容主要包含建模、渲染、动画和人机交互。这些技术是各类动态仿真应用的核心技术，可以极大提高虚拟现实系统的沉浸感。而3D计算机图形学是指用计算机自动绘制三维的物体、人体等，目标是尽可能逼真，最好能够“以假乱真”。

　　远望智库AI事业部部长、图灵机器人首席战略官谭茗洲指出：“实现这个目标最大的难点在于，一是绘制曲面，很多物体和人体不是规则的长方体、正方体或球体，而是相对柔软、自由的曲面体；再一个是渲染，也就是给三维模型填充颜色和阴影的过程，照片和视频显示在二维平面上，受到光照和颜色、阴影等影响，视觉上会觉得它们有立体感，如何生成自然的颜色和阴影就是3D计算机图形学中最关键的部分。”

　　用计算机来复刻3D形象，就要实现物体360°全方位形状的数字化，在计算机图形领域，一个简单的图形可能需要几万行代码才能实现，要建立一个完整的立体形象，更是难上加难。人物细微的表情变化、动物栩栩如生的毛发、随风出现的水流波纹等，全部需要利用计算机图形学建模方法一一刻画。可以说，3D动画就等于用计算机重建一个世界，技术门槛极高。

　　促成计算机技术和电影“联姻”

　　在3D动画出现之前，我们所看到的2D动画电影，都是由一帧帧固定画面组成的。例如，视频通常采用的是24帧，即每秒播放24幅画面，这样一来每分钟至少要制作1440张画面。我国传统动画电影《大闹天宫》就是采用了这种制作模式，在当时没有数字技术的情况下，仅是手工绘制就用了两年多时间。此后几十年间，尽管数字技术在不断成熟，但到了今天，2D动画依旧需要大量的人工手绘，十分费时、费钱、费力。

　　有业内人士评价，计算机图形学改变了一个产业，开创了一个时代。没有计算机图形学，就没有3D动画电影。

　　从ACM的官方公告上，我们能够看到卡特莫尔和汉拉罕的获奖原因：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，并对这些技术在影视制作和CGI等应用上产生了革命性影响。

　　“1995年出现的第一部3D动画电影《玩具总动员》，就是出自卡特莫尔和汉拉罕之手。他们创造了一种全新的、完全由计算机制作的动画电影，可以说，促成了计算机技术和电影‘联姻’。”谭茗洲表示。

　　卡特莫尔于1974年在犹他大学获得计算机科学博士学位。在读书期间，他遇到了他的导师——“计算机图形学之父”伊万·萨瑟兰。在伊万·萨瑟兰的带领下，他意识到，当时新兴的计算机图形学将成为动画行业的基础，这刚好结合了他的两项爱好——计算机和动画。卡特莫尔创新性地发明了两个计算机图形学的基本技术——纹理映射和B样条，开发了最早的3D显示算法和多边形映射技术以逼近复杂的曲面。

　　在卢卡斯影业工作期间，卡特莫尔和汉拉罕等研究人员一起开发出一套着色技术和相应的软件“渲染者”，令计算机能够成功地将光反射行为与几何形状分开，从而生成极具真实感的图形，成功助推了《终结者2：审判日》和《侏罗纪公园》等多款爆品。卡特莫尔和汉拉罕的技术支持，也让全世界看到了一种全新的、完全由计算机制作的动画影像。