爱上电影的计算机科学家,最后得了「图灵奖」

爱上电影的计算机科学家,最后得了「图灵奖」
2020年03月24日 15:40 极客电影

3月18日,有“计算机界诺贝尔奖”之称的 2019 年图灵奖授予给了两位皮克斯动画(Pixar)的创始员工。

他们是艾德·卡特姆(Edwin E. Catmull)帕特里克·汉拉汗(Patrick M. Hanrahan)

这两位把最好年华献给电影行业的计算机科学家,不仅为今天的好莱坞电影特效技术奠定了基础,还彻底改变了游戏、虚拟现实和人工智能行业。

上世纪七八十年代,乔治·卢卡斯 集结了一大批年轻的科学家和工程师,把他的“星球大战”梦想搬上大银幕。

70 年代初,师从计算机图形学的创始人之一 伊万·萨瑟兰(Ivan Sutherland)、在犹他大学获得计算机博士学位的艾德·卡特姆(Ed Catmull)因他的计算机图形学研究成果,受邀加入卢卡斯影业(Lucasfilm)。

那个时代,计算机生成的图像都是直线和多边形,卡特姆 在犹他大学时就提出了一种在计算机上显示曲面的方法

1972 年 卡特姆 应用自己的技术创作出一部名为“计算机动画之手”的短片,这是最早的计算机动画作品之一。

1986 年 史蒂夫·乔布斯 收购了卢卡斯影业计算机动画部门,更名为皮克斯,他选择 卡特姆 担当动画公司的总裁。

卡特姆 对皮克斯最重要的贡献,就是构造了能对任意几何体使用的递归算法来创建平滑曲面的规则,形成了皮克斯动画沿用至今的曲面技术。

在 卡特姆 的“学者风范”感召下,更多研究者和工程师加入了这个电影团队。

这时,旧金山威斯康星大学麦迪逊分校年轻的生物物理学学生帕特里克· 汉拉汗(Patrick Hanrahan)决定放弃昆虫研究,入职皮克斯,与 卡特姆 搭档推动计算机图形学的发展。

这些年轻的研究者聚在一起,产生了一个“伟大的愿望”——完全用计算机来生成一部动画片

虽然这个目标看似渺茫,但 汉拉汗 说:

我认为这辈子不可能实现,但我可以花一生的时间去尝试。

卡特姆 和 汉拉汗 敏锐地意识到计算机动画的局限性——“恐怖谷”效应让人类角色看起来很“出戏”。

汉拉汗 在 卡特姆 和其他同事十多年工作的基础上,开发出了一个叫RenderMan的图形系统,汉拉汗 担任开发团队的首席架构师。

RenderMan 用真实的材质和光影来渲染曲线形状,电影制作人可以把图像与真实场景自然融合,产生逼真的动画效果

它拥有一个能给 CG 图像着色的着色器,软件在渲染过程中能将光反射与几何形状分开,并计算被着色对象上各个点的颜色,透明度和纹理,使得动画有“栩栩如生”的观感。

80 年代后期,汉拉汗 和皮克斯的同事们把 RenderMan 开源给其他电影制作人;他们还发布了 RenderMan Shading 语言——一种允许任何人修改的计算机语言,结果引爆了这项技术的发展。

《机器人制造者:乔治·卢卡斯与数字革命》作者、曾经的卢卡斯员工 迈克尔·鲁宾 说:

RenderMan 不仅是皮克斯生产的工具,更是皮克斯的产品,它属于计算机科学家的社区。

在皮克斯工作期间,汉拉汗 还开发出了体积渲染技术。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。

汉拉汗 与他人合著的论文中提出了“光场渲染”的概念(注:一种基于图像的渲染技术);

他还完善了“利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)

虽然 汉拉汗 1990 年就在 ACM SIGGRAPH 上发表了关于RenderMan的研究成果,然而等到计算机硬件足以实现他的理论,已经是 5 年后了。

计算机芯片制造商英伟达NVIDIA一直关注着这两人的研究成果,他们以 汉拉汗发表的 3D 图形论文为基础,驱动自己的芯片制造项目。

卡特姆 说:“英伟达图像处理单元(GPU)的兴起,让我们从中受益。”

硬件齐备,1995 年世界上第一部全部由计算机制作的 3D 动画电影——《玩具总动员》诞生了;

1999 年,经过技术优化的《玩具总动员2》成了皮克斯“里程碑式的胜利”。

观众认为这部电影既是艺术奇迹,更是技术奇迹。

RenderMan 在制作《玩具总动员》系列和之后许多皮克斯影片上都发挥了关键性作用;但它对电影行业的影响远远超过了伍迪和巴斯光年的故事。

2001 年,RenderMan 成为第一个赢得奥斯卡奖的软件。

在最近获得奥斯卡金像奖提名的 47 部电影中,有 44 部使用了皮克斯的 RenderMan ;其中就包括了《阿凡达》,《泰坦尼克号》,《指环王》三部曲和《星球大战》系列。

汉拉汗 和 卡特姆 二人组让计算机科学技术与娱乐产业的创造力结合在一起,创造出一个又一个视觉奇观。

从《虫虫危机》中的半透明叶子;

到去年《玩具总动员4》中随风摆动的雨滴,皮克斯出品的每部电影,都在挑战计算机图形技术的新高度。

《皮克斯传奇》(The Pixar Touch-The Making of a Company)这本书中,作者大卫·普莱斯说:

3D 计算机图形技术的很多基础技术都来源于 艾德·卡特姆 和他领导的团队。

受 汉拉汗 论文启发的 GPU 掀起了 90 年代的3D 计算机游戏潮流,还促使虚拟现实复兴

在超级计算机和人工智能领域,GPU 十分擅长于训练 AI ;它在包括自动驾驶汽车、面部识别服务和 Alexa 等智能助手开发中起到至关重要的作用。

汉拉汗 1989 年离开皮克斯,他先后担任过普林斯顿大学副教授(1991-1994)和斯坦福大学教授(1994 年至今),指导过 40 多名博士生。

2003年 汉拉汗 与其他人联合创立了西雅图著名科技公司Tableau Software,这家数据可视化公司在全球拥有 4,000 多名员工,去年 8 月以 157 亿美元的价格被 Salesforce 收购

而 卡特姆 则在皮克斯一呆就是三十多年,直到 2018 年才退休。

ACM(美国计算机学会)A.M. 图灵奖以英国数学家阿兰·M·图灵(Alan M. Turing)名字命名,创立于 1966 年,旨在表彰和奖励那些推动技术和行业发展的计算机科学家和工程师

谷歌为这一奖项提供了100 万美元奖金

ACM 在 18 日宣布图灵奖获奖者时写道:

艾德·卡特姆 和 帕特里克·汉拉汗 通过概念上的创新以及对软硬件的贡献,从根本上改变了计算机图形学领域,对电影产生了革命性的影响。

卡特姆 和 汉拉汗 将于今年 6 月 ACM 在旧金山举行的颁奖宴会上正式领取这一奖项。

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