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2019图灵奖公布!授予CG特效背后的两位科学家

时间: 2020年03月19日 | 作者: 戚译引 魏潇 | 来源: 科研圈
有着“计算机界诺贝尔奖”之称的2019 年图灵奖授予斯坦福大学计算机图形学实验室教授 Patrick M. Hanrahan 和计算机科学家、皮克斯动画工作室联合创始人 Edwin E. Catmull


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图片来源:2019年图灵奖得主Patrick M. Hanrahan(左)和Edwin E. Catmull(右)


来源  美国计算机学会

编译  戚译引 魏潇

编辑  魏潇


美国计算机学会(ACM)今天宣布,有着“计算机界诺贝尔奖”之称的2019 年图灵奖授予斯坦福大学计算机图形学实验室教授 Patrick M. Hanrahan 和计算机科学家、皮克斯动画工作室联合创始人 Edwin E. Catmull,以表彰他们对 3D 计算机图形学的奠定性贡献,以及这些技术对 CG 成像在电影制作和其他方面应用的革命性影响。


Ed Catmull 和 Pat Hanrahan 做出的贡献从根本上改变了计算机图形学领域,并对电影制作产生了革命性的影响,将计算机动画电影变成为了现实——他们拉开了 25 年前世界首个完全由电脑制作的动画电影《玩具总动员》的序幕,并让这股热潮一直延续到今天。


如今,全球电影行业产值达到 1380 亿美元,3D 动画是其中最受欢迎的一类。对于蓬勃发展的视频游戏行业,以及新兴的虚拟现实(VR)和增强现实(AR)领域,3D 计算机成像技术也至关重要。Catmull 和 Hanrahan 作出了开创性的技术贡献,他们的工作至今仍然是 CG 成像开发中不可或缺的部分。此外,他们对图形处理单元(GPU)编程的见解不仅影响了计算机图形学,还影响了数据中心管理和人工智能等多个领域。


2019 年图灵奖得主


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Patrick M. (Pat) Hanrahan 

图片来源:Tableau


Pat Hanrahan 是斯坦福大学计算机图形学实验室的佳能计算机科学和电气工程教授。他于 1977 年获得威斯康星大学麦迪逊分校的核工程学学士学位,1985 年获生物物理学博士学位。他在 20 世纪 80 年代任职于纽约技术与数字设备公司(New York Institute of Technology and Digital Equipment Corporation),随后在皮克斯担任高级科学家(1986-1989)。接下来,他先后担任普林斯顿大学副教授(1991-1994)和斯坦福大学教授(1994 年至今),并指导了 40 多名博士生。Hanrahan 共同创立了数据分析公司 Tableau Software,于 2019 年 8 月被 Salesforce 收购。


Hanrahan 曾获得多项荣誉,包括 2003 年 ACM SIGGRAPH Steven A. Coons 奖,以表彰他对计算机图形学的杰出贡献。他是 ACM 会员,也是美国艺术与科学学院(American Academy of Arts & Sciences)院士以及美国国家工程院(National Academy of Engineering)院士,并入选了许多其他著名组织。


以及


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Edwin E. (Ed) Catmull

图片来源:Hollywoodreporter


Ed Catmull 是皮克斯动画工作室联合创始人,并曾先后担任皮克斯和沃尔特·迪斯尼动画工作室(Walt Disney Animation Studios)的总裁。他于 1970 年获得犹他大学的物理学和计算机科学理学学士学位,1974 年获得计算机科学博士学位。在他的职业生涯中,Catmull 曾担任卢卡斯影业(Lucasfilm Ltd.)计算机部门的副总裁,负责计算机图形、视频编辑、视频游戏和数字音频领域的开发。他创办了纽约理工学院(NYIT)的计算机图形学实验室。


Catmull 获得了 1993 年 ACM SIGGRAPH Steven A. Coons 奖计算机图形学杰出创意贡献奖(ACM SIGGRAPH Steven A. Coons Award for Outstanding Creative Contributions to Computer Graphics),以及 2006 年 IEEE John von Neumann 奖章,获奖理由是对计算机图形学的杰出贡献和计算机动画在电影中的开拓性应用。他是 ACM 和视觉效果学会(Visual Effect Society)会士,也是美国电影艺术与科学学院(Academy of Motion Picture Arts & Sciences)和美国国家工程院(National Academy of Engineering)院士。


创造更逼真的世界


Catmull 1974 年在犹他大学获得计算机科学博士学位,师从计算机图形学之父、1988 年 ACM 图灵奖获得者 Ivan Sutherland。在他的博士学位论文中,Catmull 介绍了一些突破性技术,能够用于显示曲面片(curved patch),而不是多边形。这篇论文中还出现了两项新技术:一是深度缓冲(Z-buffering,Wolfgang Straber 也在同一时期对此进行了描述),用于管理计算机图形中的图像深度坐标;二是纹理映射(texture mapping),将二维表面纹理包裹在三维对象外部。在犹他大学时,Catmull 还创建了一种表示光滑表面的方法,即使用更粗糙的多边形网格。毕业后,Catmull 与 Jim Clark(后来的 Silicon Graphics 和 Netscape 创办者)合作提出了 C-C 细分曲面(Catmull-Clark Subdivision Surface),这种曲面效果出色,是现在动画和电影特效中常用的曲面片。Catmull 的技术在开发照片级的逼真图形和消除“锯齿”方面起着重要作用(锯齿即形状周围的粗糙边缘,是原始计算机图形学的标志)。


离开犹他大学后,Catmull 组建了纽约理工学院(NYIT)的计算机图形实验室,这个实验室成为了美国最早的一批计算机图形学专门实验室之一。在那时,Catmull 就梦想着制作一部计算机动画电影了。1979 年,这一目标在乔治·卢卡斯(George Lucas)的推动下又进了一步:卢卡斯当时聘用了Catmull 等许多专家,他们将计算机图形优化成了更为现实逼真的图像。当时,整个行业仍然被传统的 2D 技术所主导,但是在卢卡斯电影公司(LucasFilm),Catmull 和同事们坚持不懈地对 3D 计算机图形动画进行创新。1986 年,史蒂夫·乔布斯(Steve Jobs)收购了卢卡斯电影公司的计算机动画部门,并将其更名为皮克斯(Pixar),Catmull 成为了这家公司的总裁。


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皮克斯于 2011 年制作的 25 周年纪念海报。图片来源:mondivirtuali.it


在皮克斯的第一批员工中,Pat Hanrahan 赫然在列。他于 1985 年在威斯康星大学麦迪逊分校获得了生物物理学博士学位,并在加入皮克斯之前曾在 NYIT 的计算机图形学实验室短暂工作过一段时间。加入Catmull 和他的皮克斯团队后,Hanrahan 成为了一种新图形系统的首席架构师,这个新系统能够用真实的材质和光影来渲染曲线形状,后来被命名为 RenderMan。它的一个关键概念是能够给 CG 图像着色的着色器(shaders)。RenderMan 能将光反射与几何形状分开,并且可以计算被着色对象上各个点的颜色,透明度和纹理。这一系统还结合了 Catmull 此前在该领域创建的深度缓冲(Z-buffering)和细分曲面(subdivision surface)两种技术。


在皮克斯工作期间,Hanrahan 还开发了体积渲染技术,这让 CG 艺术家可以对 3D 数据集的 2D 投影(例如一团烟雾)进行渲染。在 Hanrahan 一篇被引用次数最多的论文中,他与合著者 Marc Levoy 一起提出了光场渲染的概念,这种方法可在不需要深度信息或特征匹配的情况下,让观看者从任意一点跳跃至新场景,从而带来穿越体验。Hanrahan 还完善了使用表面下散射来描绘皮肤和头发的技术,并使用蒙特卡洛射线追踪技术来渲染复杂光影效果——被称为全局照明(global illumination,GI)。


Hanrahan 1990 年在 ACM SIGGRAPH 上发表的论文中展示了他开创性的 RenderMan 研究。然而,计算机硬件5 年后才发展到足够高的水平,得以让 RenderMan 系统制作出了世界上首部全部由计算机制作的 3D 动画电影——《玩具总动员》。


图片选自《玩具总动员》系列电影


不止是电影与游戏


在 Catmull 的领导下,皮克斯使用 RenderMan 制作出了一系列大获成功的电影,这一技术还被授权给了其他电影公司。最近数年里 47 部获得奥斯卡视觉效果奖提名的电影中,有 44 部都使用了 RenderMan 技术,其中包括《阿凡达》、《泰坦尼克号》、《美女与野兽》、《指环王》三部曲以及《星球大战》前传。直到今天,RenderMan 仍然是 CG 视觉特效制作的标准工作流程。


《指环王》系列电影的 CG 特效。图片来源:GIPHY


在 1989 年离开皮克斯后,Hanrahan 在普林斯顿大学和斯坦福大学担任学术职务。从 1990 年代开始,他和学生们扩展了 RenderMan 的着色语言,使其可以在功能强大的 GPU 支持下进行实时工作,并由此进入市场。Hanrahan 和学生开发的 GPU 编程语言推动了商业化编程语言(包括 OpenGL 着色语言)的进步,彻底改变了视频游戏的制作规则。


GPU 上普遍使用的着色语言及其多样性最终要求 GPU 硬件设计人员开发更灵活的体系架构。这些架构又允许 GPU 被用于各种计算环境,比如在高性能计算应用程序中运行算法,在人工智能应用程序的海量数据集上训练机器学习算法。特别是 Hanrahan 和他的学生开发了一种应用于 GPU 的语言 Brook,为 NVIDIA 的 CUDA 奠定了基础。


Catmull 则在皮克斯工作了 30 多年,即便它成为了迪士尼动画工作室的一个子公司也未曾离开。在他的领导下,数十名研究人员创造并发布了包括图像合成、运动模糊、布料模拟等技术在内的一系列基础技术,这对计算机动画电影和计算机图形学做出了更大的贡献。


ACM 主席 Cherri M. Pancake 表示,CG 成像改变了电影的制作方式和观影体验,也深刻影响了更广泛的娱乐行业。计算机图形学是 ACM 中最大,最活跃的社区之一,而 Catmull 和 Hanrahan 证明,计算科学中一个专业方向的工作可以对该领域的其他方面产生重大影响。


谷歌 AI 高级研究员兼高级副总裁 Jeff Dean 则认为,“如今 3D 计算机图形成像已经十分普及,我们往往会忘记这个领域不久前的样子。在技术不断发展的当下,数十年前 Hanrahan 和 Catmull 所开发的技术仍是这个领域的标准实践,这给人留下了深刻的印象。认可 CG 成像技术的科学贡献,并教育公众这一技术将在未来几年中影响许多领域,包括虚拟现实和增强现实、数据可视化、教育和医学影像等,是一件非常重要的事。


图灵奖和美国计算机学会


ACM A.M. 图灵奖以英国数学家阿兰·M·图灵(Alan M. Turing)的名字命名,创立于 1966 年,旨在对创造系统和理论基础、推动信息技术行业发展的计算机科学家和工程师进行表彰。奖金为 100 万美元,由谷歌公司提供资金支持。2019 年图灵奖颁奖晚会将于 2020 年 6 月 20 日星期六在美国旧金山举行。


美国计算机学会(Association for Computing Machinery,ACM)是世界上最大的计算机教育和科学协会。它团结计算机教育者、研究人员和专业人员,以激发对话,共享资源,应对该领域的挑战。


主要信息来源:

https://www.eurekalert.org/emb_releases/2020-03/afcm-pom031720.php