國際計算機協會（ACM）近日宣佈了2019年圖靈獎獲得者，兩位皮克斯動畫工作室元老漢拉汗（Patrick M. Hanrahan）和卡特姆（Edwin E. Catmull）正式加冕這一“計算機界的諾貝爾獎”。
圖靈獎對獲獎條件要求極高，一般每年只獎勵一名計算機科學家，只有少數年度有兩名合作者或在同一方向作出貢獻的科學家共享此獎。自1966年以來，圖靈獎已經頒發了53屆，共73位科學家獲此殊榮。相比去年獲獎的“深度學習”三巨頭，今年兩位獲獎者的工作讓大眾更感親切，《阿凡達》《美女與野獸》與《指環王》三部曲等電影動畫都有他們跨時代的技術貢獻。
圖形學最初的夢想——
用計算機重建一切
漢拉汗是著名計算機科學家，皮克斯動畫工作室聯合創始人、前總裁。卡特姆也是皮克斯動畫工作室創始員工之一，同時是斯坦福大學計算機圖形學實驗室教授。此次獲獎，ACM主要表彰他們對3D計算機圖形學的貢獻，以及這些技術應用的革命性影響。
對於電影大家很熟悉，對計算機圖形學大家卻不熟悉。計算機圖形學是什麼？獲獎者漢拉汗的初衷或可作出解釋——“我認為我們可以把抽象概念、數學和算法轉換成圖像的想法，這是世界上最酷的事情了。”
這是計算機圖形學與圖靈獎32年後再度“邂逅”。被人們尊稱為當代計算機輔助設計(CAD)之父的伊凡·蘇澤蘭特曾於1988年獲得圖靈獎。1963年他博士論文答辯的題目是“Sketchpad：一個人機交互通信的圖形系統”，獲得了信息理論之父香儂在內的滿堂喝彩，也就是在那篇論文中，首次有了“計算機圖形學”這一術語。
南京大學計算機科學與技術系路通教授告訴記者，伊凡·蘇澤蘭特實現了人與計算機之間相對簡單的交互，他開發的圖形系統具備了圖形對象的繪製、拾取和定位等功能，從而使得人們可以用光筆通過顯示器直接與計算機系統進行交互。隨後，圖形用戶界面GUI和計算機輔助設計等技術紛紛推出，關於圖形技術的產業開始形成。
“簡單說，計算機圖形學是以可視化的形式，在人、計算機和真實世界中搭建橋樑。”路通教授打了個比方，“比如我們用計算機描繪一個人在現實生活中的形象，是不同於攝影攝像的。攝影攝像是通過計算機視覺方法捕捉定格的畫面，只有固定的視角成像結果；而計算機圖形學，是要生成360度的‘真人’，換句話說，就是‘把人搬到計算機裡’。”
把人“搬”到計算機裡，必須實現人整體的數字化。在計算機圖形學領域，幾萬行代碼可能只能完成一個簡單的圖形實現，難度很大。“比如如何一根根重建人的頭髮？頭髮形狀應該是一根根的，不能是一團團的，還要展現它柔軟的質地，合適的顏色，風一吹還要飄動……”路通說，這些都需要利用計算機圖形學建模方法，一一刻畫出來，才能逼近現實。
人只是真實世界中的一類。真實世界中還有花草、樹木、海水、DNA等千千萬萬客觀存在的對象，這需要對物理世界有比較充分的認識。北京大學陳寶權教授曾舉例，“比如做樹木的三維重建，還要學習大量關於植物生長規律的知識，在屏幕上做水彩畫，需要了解畫筆、著色和紙纖維滲透等方面知識。”用計算機重建世界還是有較高的技術門檻的。
他們改變了一個產業，
技術44次獲奧斯卡提名
計算機圖形學改變了一個產業，開創了一個時代。可以說，沒有計算機圖形學，就沒有3D動畫電影。
在我們童年印象中的動畫電影是怎麼做出來的？“我們是通過手繪，畫出一幀幀的場景，再逐個著色，讓這些連續圖片以一秒25張左右的速度動起來，從而生成動畫。”路通說，漢拉汗和卡特姆的貢獻在於多年在計算機圖形領域的工作積累，“簡單說，這兩位科學家將放在計算機中的人，做得越來越逼真了，可以哭，可以笑，會變老，還可以做各種動作。”
ACM官網寫道，漢拉汗和卡特姆通過概念、軟件、硬件的創新，從根本上影響了計算機圖形學領域。他們的工作對電影製作產生了革命性的影響，從25年前的《玩具總動員》開始，一直延續到今天，他們創造了一種全新的、完全由計算機制作的動畫電影。
路通說，在這些電影當中，他們除了採取新的建模方法，還增加了全新的渲染技術體系。渲染的作用是什麼呢？“數字模型屬於一種幾何語言，比如一個三角網格模型沒有顏色，沒有光照效果，而增加紋理和渲染後就可以讓模型呈現質感，從而產生令人賞心悅目的真實感圖形。”
“比如人的皮膚表面的紋理特徵，要通過算法自動生成，再貼到模型上去，這樣看上去才像是真的皮膚；再比如，我們要給環境以光影，進一步使得建好的模型與真實場景的效果吻合，有亮光，也有陰影。” 路通介紹，圍繞這些方面，兩位皮克斯元老做了很多開創性的工作，設計出一系列算法，研發了自己的一些技術系統。
《海底總動員》《侏羅紀公園》《指環王》……很多人的“童年回憶”都用到了這項跨時代的特效技術。據介紹，奧斯卡的視覺特效獎在過去若干年的47次提名中，有44次應用了皮克斯團隊的系列技術。憑藉在計算機圖形學研究方面的工作，他們兩位先後獲得7次奧斯卡獎，藝術和技術的完美交匯，無人望其項背。
我們正處在圖形與
交互技術極速發展的浪尖
獲得圖靈獎之後，計算機圖形學領域還有哪些值得期待？要知道，“用計算機重建一切”的最初夢想還遠沒有實現。
用谷歌AI掌門人Jeff Dean的話來說：“他們幾十年前開發的技術，在今天仍然是這個領域的標準做法，這令人印象非常深刻。重要的是，它們未來也將會在AR/VR、數據可視化、醫學成像等領域產生重要的影響。”
微軟亞洲研究院網絡圖形組則指出，圖形學未來還會應用在機器人、3D打印、虛擬現實、增強現實、數字化孿生等場景。
路通介紹，目前在虛擬現實已經有應用，比如故宮裡文物可以通過計算機“活起來”，讓清明上河圖呈現流動的畫面，重現一千多年前的生活情景。所謂增強現實技術，即我們戴上眼鏡，可以把虛擬的計算機圖形學虛構出來的場景，疊加到手機所拍攝的真實的世界裡去，真實世界和圖形特效的結合，可以讓大家產生全新的感受。此外，計算機圖形學還可以跟我們的一些可穿戴的設備，比如說眼鏡、頭盔，甚至是衣服，以及車載設備、醫療器械等等結合起來，進而研發各類創新應用。
有業內人士指出，隨著下一代的虛擬現實設備和增強現實設備的出現，真實和虛擬的世界會得到更好的融合，帶給人類一個超現實的世界。
路通表示，計算機圖形學應用性很強，在真實感圖形生成、視覺特效和計算機動畫等方面還可以繼續走下去，使得圖形顯示更加真實或更具個性化。“但我們目前的工作方式還是32年前第一個圖靈獎獲得者的工作所延伸和演化出來的，人、計算機和真實世界間的關係沒有發生根本的變化。未來我們也期待計算機圖形學新的革命，出現更加自然、以人為本的人機交互方式，以及更具革命性和顛覆性的圖形生成和顯示技術，這有待於計算機圖形學進一步的研究。”
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