“图灵奖”颁给《玩具总动员》幕后功臣,这是一个计算机和电影“联姻”的故事

来源 :AI报道 时间 : 2020-03-20 10:14:46

2019图灵奖新鲜出炉,获奖者为皮克斯公司(Pixar)的两位开创元老:Edwin E. Catmull和Patrick M. Hanrahan。

 

图灵奖(Turing Award)由美国计算机协会(ACM)于1966年设立,专门奖励那些对计算机事业作出重要贡献的个人。图灵奖对获奖条件要求极高,评奖程序极严,是计算机界最负盛名、最崇高的一个奖项,有“计算机界的诺贝尔奖”之称。

此次图灵奖授予Catmull和Hanrahan就是为了表彰他们对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)等应用的革命性影响。

大家深深喜爱的《玩具总动员》、《指环王》、《海底总动员》、《阿凡达》、《侏罗纪公园》等电影给观众带来的震撼体验正是得益于这两位早在20世纪在3D计算机图形学做出的贡献,目前3D计算机图形学技术早已深植每一部手机和笔记本电脑中。

3D动画电影背后的功臣

Edwin Catmull是一名计算机科学家,也是皮克斯和迪士尼动画工作室的前总裁。

而Patrick Hanrahan是皮克斯的创始员工,也是斯坦福大学计算机图形实验室的教授。

早在犹他州大学读博期间,Edwin Catmull介绍了一种突破性的技术,这种技术可以生成曲面的图像。此前,计算机生成的图像都是直线和多边形,并由此产生了两种新技术:Z缓冲和纹理映射,前者用于确定对象在屏幕上可见的部分,后者它为计算机生成的图形提升真实感。

同时,Catmull还创建了一种通过粗糙多边形网格来表示光滑曲面的方法。Catmull创造的基础技术,帮助计算机图形从粗糙的线框模型转移到具有曲面的对象的可视化。他提出的纹理映射,让设计师可以有效地将2D图像粘合到3D对象的表面上,以获得更逼真的外观效果,在消除“锯齿”等方面起着重要作用。锯齿指的是图形周边的的粗糙边缘,是原始计算机图形的标志。

犹他州大学之后,Catmull又创建了纽约理工学院(NYIT)计算机图形实验室,这是美国最早的专用计算机图形实验室之一。另一位图灵奖得主Hanrahan 也在该实验室短暂工作过。

1979 年,工业光魔的创始人、好莱坞著名导演George Lucas聘请了Catmull。在那里,Catmull 聘用了许多致力于将计算图形推向逼真图像的技术人员,不断进行3D计算机图形动画的创新,当时这个行业被传统的2D技术所主导。

1986年,乔布斯收购了George Lucas的工业光魔的电脑动画部,成立了皮克斯动画工作室。正在动画部担任副总裁的Catmull被任命为皮克斯的共同创办人和技术总主管,也开启了Catmull和Hanrahan缘分的延续。

Patrick Hanrahan是威斯康星大学生物物理学博士,Catmull为皮克斯雇佣的早期员工之一,于1986年作为首席架构师加入了皮克斯动画工作室。

在皮克斯公司期间,Hanrahan花了大量时间对材料和光线进行建模,让动画看起来更接近现实生活。Hanrahan曾表示:“物理学家通常不去研究皮肤或毛发,以及为什么它们是那个样子。但我研究了,并花了几年时间让比如光线这类事情看起来真实。”

几番努力下,他与包括Catmull在内的团队一起创建了一种新的计算机图像渲染体系,可以使用真实的材料属性和光线来渲染曲线形状,用于描述三维模型并把它转换成逼真的数字图像,后来命名为RenderMan。RenderMan渲染器结合了Catmull早前在该领域开创的Z缓冲和细分曲面技术。

RenderMan技术孕育了动画电影的诞生。1995年,世界上第一部全电脑制作的3D动画长片《玩具总动员》在全美上映。

 

RenderMan因其高超的渲染质量和及其快速的渲染能力而被广泛应用在高端运动图像的生产制作过程中,成为好莱坞电影的标配渲染器。几乎每一部好莱坞电影的CGI(计算机生成图像)渲染,都能见到RenderMan的身影。最近47部奥斯卡视觉效果提名影片中有44部使用了RenderMan,包括《阿凡达》、《泰坦尼克号》、《美女与野兽》、《魔戒电影三部曲》、《星球大战前传》等。

时至今日,Renderman 仍然是CGI视觉效果的标准工作流。

1989年,Hanrahan离开了皮克斯,回归学术界。

在斯坦福大学Hanrahan和他的学生在RenderMan规范引入了RenderMan着色语言,使其可以在功能强大的GPU上实时工作。他们开发的GPU编程语言促进了OpenGL等商业版本的发展,从而彻底改变了视频游戏的编写方式。GPU上使用的各种着色语言的流行和多样性,要求GPU硬件设计者开发更灵活的体系架构,这些架构反过来又允许GPU在各种计算环境中使用,包括运行高性能计算的算法,以及为人工智能应用程序在海量数据集上训练机器学习算法。

特别值得一提的是,Hanrahan和他学生共同开发的GPU语言——Brook。Brook后来催生出了英伟达的CUDA。

2003年,Hanrahan作为创始人之一,创办了Tableau Software,致力于帮助人们查看并理解数据。

而Catmull继续留在皮克斯,在2006年被迪士尼收购后,Catmull领导着公司的动画部门,直到2019年退休。在他的领导下,动画工作室的数研究人员发明并发布了很多基础技术(包括图像合成、运动模糊、布料模拟等),这些技术为计算机动画电影和计算机图形学做出了更大的贡献。

颠覆计算机图形学技术

Edwin Catmull 和 Patrick Hanrahan在概念创新和对软硬件的贡献,从根本上影响了计算机图形学领域,并对电影制作产生了革命性的影响。

  

如今,在价值1380亿美元的全球电影业中,3D动画电影已经成为一面旗帜,广受欢迎。3D计算机图像也成为正视频游戏、VR(虚拟现实)以及AR(增强现实)等新兴领域的根本。

总之,他们提出的开创性的技术为现在的CGI(计算机生成图像)发展做出了巨大贡献,意义重大。而且,他们对编程图形处理单元(GPU)的洞察已经超越了计算机图形本身,影响了包括数据中心管理和人工智能在内的多个领域。

例如,3D图像技术为制作逼真的视频游戏铺平了道路,并推动了VR技术的复兴。这项技术现在也催生了一个全新的行业——图形处理器。更有证据证明,这些GPU擅长训练人工智能算法以识别人类语音,并能让超级计算机模拟核武器的爆炸。

对于他们的成就,ACM主席 Cherri M.Pancake 如此评价道:

CGI改变了电影制作和人的体验方式,同时也对娱乐业产生了深远的影响。同时,两者的贡献也表明,计算在图像学上的进步还能对其他领域带来深远的影响。例如,Hanrahan 为GPU开发着色语言,使其成为广泛领域的通用计算引擎。

谷歌AI掌门人Jeff Dean说:“他们几十年前开发的技术,在今天仍然是这个领域的标准。它们未来也将会在AR/VR、数据可视化、医学成像等领域产生重要的影响。”

加州大学圣地亚哥分校教授Ravi Ramamoorthi表示:“他们的贡献不仅催生了皮克斯的电影,也带动了整个行业对计算机生图像技术的发展。”

《机器人制造者:乔治·卢卡斯与数字革命》的作者Michael Rubin,曾在工业光魔与Catmull 共事过,他说:“没有人像Catmull 那样对计算机图形学产生如此深刻而广泛的影响。”

 

与众不同的皮克斯

两位获奖者都出自皮克斯,它有什么特别的“基因”?

皮克斯最著名的企业文化就是“以下犯上”,确切地说,在创作领域,皮克斯内部完全没有“上下”的概念。在《怪物公司》DVD花絮中,我们得以一窥皮克斯的工作环境,那里好比一个“娱乐无极限”的大型游乐园,到处都是稀奇古怪的玩具和稀奇古怪的员工,任何一个普通动画师都可以提出创意供大家讨论。当地报纸曾如此描述:“前青春期的天堂,连自助餐厅里都在招待好玩的食品,普通员工会很高兴地告诉老板怎样做才最好。”

皮克斯还有另一个“基因”——乔布斯。

以控制和神秘著称的乔布斯对皮克斯采取完全反常的方式,他会了解最新的技术进步,但并不“指手画脚”。Catmull 说:“他把技术交给了我和皮克斯的其他人,他对我们发表我们所做的一切没有意见。”

Catmull和皮克斯曾经的创意官John Lasseter曾在皮克斯的官方网站表达了对乔布斯的致意:

“史蒂夫·乔布斯是我们一位亲爱的、富有远见的朋友,他是皮克斯大家庭的一盏明灯。他先于我们其余人预见到了皮克斯的潜力,那是我们未曾想像到的。史蒂夫给了我们机会,并且相信了我们那个疯狂的梦——制作电脑动画影片;他经常说,‘要把它做好’。他的精神力量、品行,以及他对生活的热爱让我们每个人变得更好。他永远是皮克斯DNA 的一部分。”

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