圖靈獎背後的計算機圖形學,我國CG人才教育很落後嗎?

圖靈獎背後的計算機圖形學,我國CG人才教育很落後嗎?


有“計算機界的諾貝爾獎”之稱的圖靈獎,對獲獎條件要求極高。按照慣例,本月頒佈了2019年的圖靈獎獲得者,目前獲獎大師人數增至72人。


歷屆圖靈獎都在訴說著計算機技術的重大進步,如今是計算機圖形學在眾多計算機領域中時隔三十多年的又一次獲獎。


1988年 伊凡·蘇澤蘭(Ivan Sutherland)

貢獻領域:計算機圖形學


任何一種計算專業化的進步都可以對其他領域產生重大影響,比如CGI就改變了電影的製作和體驗方式。

卡特姆和漢拉汗作出的技術貢獻仍然是當今CGI圖像開發十分重要的部分。他們對編程圖形處理單元GPU的見解不僅對計算機圖形學有影響,還影響了包括數據中心管理和人工智能在內的各個領域,如虛擬與增強現實、數據可視化、教育、醫學影像等等。

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Edwin E. Catmull 艾德·卡特姆


今年75歲,猶他大學計算機科學博士學位。卡特姆兒時的夢想就是成為一名動畫師,很早久展現出數學、物理和計算機方面的天賦。他起初在波音公司和紐約理工學院擔任程序員,寫代碼。後來重返猶他大學攻讀博士,並投身圖形學。


第一部完全由計算機制作的3D動畫《玩具總動員》誕生時,人們還無法想象到,3D動畫和特效電影技術的應用,在今天已經改寫了全球電影行業。漢拉汗和卡特姆是CG界的泰斗,卡特姆的創新技術早已在《阿凡達》上得到完美體現。他們是動畫公司皮克斯(Pixar)的開創元老。


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Patrick Hanrahan 帕特里克· 漢拉汗


今年65歲,威斯康星大學麥迪遜分校生物物理學博士學位。先是進入NYIT計算機圖形學實驗室工作,而後加入皮克斯動畫工作室。漢拉汗在皮克斯短短几年的時間裡,所創造出來的工具和技術,使得現代CG成為了可能,並獲得了3次奧斯卡。


漢拉汗是卡特姆在皮克斯的第一批員工。漢拉汗作為首席架構師,與卡特姆還有 Pixar 團隊的其他成員一起創建了一種新的圖形系統——RenderMan


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在皮克斯工作期間,漢拉汗還開發了立體渲染技術。幾乎每一部好萊塢電影的CG渲染,都能見到RenderMan的身影。包括《阿凡達》、《泰坦尼克號》、《美女與野獸》、《魔戒電影三部曲》、《星球大戰前傳》等。時至今日,Renderman 仍然是 CGI 視覺效果的標準工作流。


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▌我國計算機圖形學發展情況

計算機圖形學在80年開始在國內萌芽。90年代一批批海外計算機方面的專家開始進入中國,然後在清華大學、浙江大學等先驅學者的帶領下逐漸開始走入正軌。後來國內不斷有新的動畫算法和渲染算法理論發表在《計算機學報》等專業雜誌中,中國也終於有論文在SIGRAPH(圖形學頂級會議)中入選。

介紹一下中國圖形學研究的先驅:


· 梁友棟先生:大名鼎鼎的Liang-Barsky線段裁剪算法發明者,該算法在今天已經被應用於各個領域。

·

邵敏之彭群生先生:後者建立浙大CAD研究所,與梁先生以及邵先生一同以一種新的輻射度算法成為中國第一篇SIGGRAPH的作者。

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渲染農場(Render Factory)


▌我國高校計算機圖形學專業排名如何?


計算機科學排名CSRankings排行榜中,深圳大學計算機圖形學名列亞洲第3,進入世界一流水平。亞洲第一名是浙江大學,其次是香港中文大學,清華大學,臺灣國立清華大學,北京航空航天學院,上海交大等。


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計算機科學綜合排名中,深圳大學位於中國高校第14位,內地高校第8位,前10名的高校排名依次是清華大學,北京大學,上海交通大學,浙江大學,復旦大學,南京大學,北京航空航天大學,深圳大學,哈爾濱工業大學。


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*深圳大學計算機與軟件學院成立於2009年,其前身是1983年深圳大學建校時由清華大學援建的電子工程系和2006年成立的軟件學院。學院擁有1個國家級科研平臺(大數據系統計算技術國家工程實驗室),廣東省普及型高性能計算機重點實驗室、廣東省大數據協同創新中心等省部級平臺12個。2018年至今,發表CCF A類或中科院1區論文102篇,ESI高被引論文33篇(全球排名第38位),授權發明專利62項, PCT專利65項,學院擁有2項國際合作項目、1個國際合作共建實驗室,目前已建立2個國外院士工作站。

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少年派的奇幻漂流


▌計算機圖形學真的很難學嗎?


圖形學之所以難,是因為對前置學科的要求比較高,加之相關工作門檻比較高,很容易讓人望而生畏。首先就是數學這塊得過關,圖形學主要玩的就是算法,對數學要求很高,主要有:


· 線性代數:基本建模,柵格化,照明,碰撞檢測等,基本都在線代範疇。

· 空間分區結構:四叉樹,KD樹,BVH等。實時渲染系統中,基本都使用到這些結構來進行渲染量優化。此外光子映射,碰撞檢測等也會用到。

· 樣條線:主要是在3D建模中,創建外觀更自然的表面等。

· 信號處理:典型的案例就是抗鋸齒。另外小波變換等其他應用程序中也有涉及。

· 蒙特卡洛積分:解決全局照明問題。

· 微積分:模擬任何自然現象,例如流體,人群,火災等,都需要求解控制這些現象的微分方程。


圖形渲染是整個圖形學發展的核心。圖形學重在實踐,開發能力尤為重要,光懂數學、懂算法肯定是不夠的,還要把算法轉化為編碼來實現想法。


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阿麗塔:戰鬥天使


如果要問CGI技術離我們國內的學生有多遠?其實這並不是高不可攀。最近,一位畢業於清華大學計算機科學實驗班(姚班)的胡淵鳴同學,便通過99行代碼實現了《冰雪奇緣》!因此受到極大關注。


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胡淵鳴同學


這位來自中國的MIT博士,開發了一種新的CG特效編程語言Taichi(太極),大大提升了CG特效製作的效率和降低了門檻;普通人用電腦實現一個簡單的CG電影畫面,僅需幾分鐘即可渲染完成!胡淵鳴僅憑一己之力開發了物理模擬編程語言Taichi,用99行代碼便實現了介質模擬,完成了多個特效的展示。

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胡淵鳴今天的成就,來源於厚積薄發。大概小學三年級,衚衕學就接觸到了編程。很多同齡人都在玩《仙劍》,衚衕學不是跟著玩,而是想自己也要做出一個這樣的遊戲來。然後就開始有意識地接觸編程方面的書籍,從此形成了對計算機的興趣。之後,胡淵鳴報名參加了NOIP,拿到了初中組全國第一名。


2010年5月,他參加了第四屆亞洲與太平洋地區信息技術奧林匹克大賽,獲得銀獎。胡淵鳴高一保送清華,競賽生涯中,胡淵鳴拿下APIO 2012、NOI 2012、ACM-ICPC 2013長沙區域賽、ACM-ICPC上海區域賽四塊金牌,其中APIO 2012成績是全場第一名。


2013年進入清華姚班,本科期間,胡淵鳴先後前往東京大學、斯坦福大學訪學,並曾於微軟亞洲研究院實習,從事深度學習和計算機圖形學研究。本科便有多篇論文中選CVPR、SIGGRAPH等國際頂會。


2017年,胡淵鳴進入MIT讀博。入學13個月後,完成碩士論文ChainQueen,拿到MIT碩士學位。博一期間,共發表6篇頂會論文。


▌中國計算機圖形學教育不甘落伍

從1966年至今,美國學者幾乎了“壟斷”了圖靈獎,華人學者目前僅有姚期智一人。例如獲獎20位以上的高校就有:

· University of California, Berkeley

加州大學伯克利分校23位

· Massachusetts Institute of Technology

麻省理工學院21位

· Stanford University

斯坦福大學20位

近年來,中國計算機理論研究飛速發展,以清華姚班為代表的本科計算機基礎教學達到了世界一流水平,清華計算機系在某些方面是相當強的。


在姚期智看來,目前清華的圖靈之路僅僅走了三分之一。因材培養,發揮所長,中國才有可能培養出圖靈獎得主。

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雙子殺手


· 2012年圖靈獎得主,戈德瓦瑟(女):


“我覺得計算機學科對具有數學天賦的人來說是一種很自然的選擇。對女性來說,這個領域相對年輕,十分開放,並無成規限制。無論是在學術界還是產業界,計算機科學都是“完美的領域”,只要具備強有力的分析和技術能力,編程經驗並非必需。”


· 1986年圖靈獎得主,約翰 · 霍普克羅夫特


“10年後,會有相當高的層次的工作被人工智能所取代。而且很多科學家認為,信息革命之後,只需要25%的人口,就可以生產我們所需要的所有產品和服務。”


信息革命已經到來,首先要感謝計算機領域的大師們所做的貢獻,然後還希望國內計算機教育領域能夠補齊短板,依靠未來國內數量龐大的計算機人才,推動整個人類社會更快速地進入數字時代。


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