奥斯卡和图灵奖“双料”得主,引领3D动画技术丨匠人说

奥斯卡和图灵奖“双料”得主,引领3D动画技术丨匠人说
2020年03月28日 18:50 新浪网 作者 导演帮

Patrick Hanrahan是皮克斯动画工作室创始员工之一、斯坦福大学计算机图形学实验室教授,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。

奥斯卡和图灵奖“双料”得主,引领3D动画技术丨匠人说

Patrick Hanrahan

ACM 同时宣布,2020年6月20日星期六在加利福尼亚州旧金山举行的 ACM 年度颁奖宴会上,将正式为Hanrahan和Catmull颁发奖项,两位获奖者也将共同获得100万美元奖金。

从计算机图形学博士到皮克斯总裁

1973年,Catmull对电影行业做出了第一次贡献,他自己左手的动画版本被好莱坞制片放在了1976年的电影《未来世界》里,这是科幻片《西部世界》的续集,是第一部使用三维计算机图形的影片。

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《未来世界》

Catmull于1974年在犹他大学获得计算机科学博士学位,他的指导老师包括计算机图形学之父Ivan Sutherland和1988年ACM AM图灵奖获得者。

在他的博士学位论文中,Catmull介绍了用于显示弯曲斑块而不是多边形的突破性技术,其中出现了两项新技术:Z缓冲(当时由Wolfgang Straber进行了描述),用于管理计算机图形学中的图像深度坐标;以及纹理贴图,将二维表面纹理包裹在三维对象周围。

在犹他州时,Catmull还创建了一种通过指定更粗糙的多边形网格来表示光滑表面的新方法。毕业后,他与吉姆·克拉克(Jim Clark)合作,后者后来在Catmull-Clark细分曲面上找到了Silicon Graphics和Netscape,现在是动画和电影特效中使用的出色表面补丁。

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Catmull的技术在开发照片级逼真的图形,消除“锯齿”(形状周围的粗糙边缘)方面起着重要作用,锯齿是原始计算机图形的特征。

离开犹他大学后,Catmull成立了纽约理工学院(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。

在那个时候,Catmull梦想着制作一部计算机动画电影。1979年,乔治·卢卡斯(George Lucas)聘请了Catmull,在卢卡斯电影公司Catmull及其同事继续开发3D计算机图形动画的创新,而那时这个行业仍然被传统的2D技术所主导。

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1986年,史蒂夫·乔布斯(Steve Jobs)收购了卢卡斯电影公司(Lucas Film)的计算机动画部门,并将其更名为皮克斯,Catmull担任总裁。

Pat Hanrahan就是Catmull在皮克斯的第一批员工。

画创造CGI视觉效果标准RenderMan

Pat Hanrahan于1985年获得了威斯康星大学麦迪逊分校的生物物理学博士学位,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。

作为皮克斯的创始员工,Hanrahan担任皮克斯任新型图形系统首席架构师,该图形系统允许使用真实的材质和照明来渲染弯曲的形状。

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此系统(后来称为RenderMan)的一个关键思想是着色器(用于着色CGI图像)。RenderMan系统将光反射行为与几何形状分开,并计算形状上各点的颜色,透明度和纹理。RenderMan系统还结合了Catmull早前在该领域做出的贡献的Z缓冲和细分曲面创新。

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在工作期间,Hanrahan还开发了体积渲染技术,该技术使CGI研究可以通过3D数据集渲染2D投影。Hanrahan与他的合著者Marc Levoy一起在被引用最多的论文中介绍了光场渲染,这种方法可通过从任意点生成新视图而没有深度信息或特征匹配的方式,使观看者感觉它们正在穿越场景。

Hanrahan继续开发使用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的照明效果(即全局照明或GI)。

Hanrahan在ACM SIGGRAPH上发表的1990年开创性论文中分享了他的RenderMan研究。然而,要使计算硬件发展到可以使用Hanrahan的RenderMan系统制作全长3D计算机动画电影《玩具总动员》的程度,还需要五年的时间。

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在Catmull的领导下,皮克斯使用RenderMan制作一系列成功的电影,并将RenderMan授权给其他电影公司。此后,几乎每一部好莱坞电影的CG渲染,都能见到RenderMan的身影。

该软件被应用于已被提名获得视觉效果类奥斯卡金像奖的47部电影中的44部,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,RenderMan已经是CGI视觉效果的标准工作流程。

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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,他和他的学生扩展了RenderMan着色语言,使其可以在强大GPU上实时工作。

GPU上广泛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结构。这些体系结构又允许GPU用于各种计算环境,包括用于高性能计算应用程序的运行算法,以及在人工智能应用程序的海量数据集上训练机器学习算法。Hanrahan和他的学生还开发了Brook,这是一种用于GPU的语言,也是NVIDIA开发出CUDA的基础。

两人的相遇,创造了历史

实际上,EdwinCatmull 和 Patrick Hanrahan 通过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。二人做出的开创性的技术贡献对今天的 CGI 发展仍然有着不可或缺的意义。此外,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,影响了包括数据中心管理和人工智能在内的多个领域。

从 25 年前的《玩具总动员》开始,受二人影响的作品催生了一种全新的完全由电脑动画制作的故事片类型,对电影制作的革命性影响一直延续至今。

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当前,在价值1380亿美元的全球电影业中,3D电脑动画电影广受欢迎,而 3D计算机图像也是蓬勃发展的视频游戏产业和新兴的虚拟现实(VR)和增强现实(AR)领域的核心。

ACM 主席 Cherri M. Pancake 说:“CGI改变了电影的制作和体验方式,同时也深刻影响了更广泛的娱乐行业。我们非常高兴认识到 Pat Hanrahan 和 Ed Catmull,因为计算机图形学是 ACM 中最大和最活跃的社区之一,ACM SIGGRAPH 年会就是证明。

与此同时,Catmull 和 Hanrahan 的贡献表明,一种在计算专业化的进步( advances in onespecialization of computing )可以对其他领域产生重大影响,例如 Hanraha 为 GPUs 开发着色语言(Hanrahan's work with shadinglanguages for GPUs),使其成为广泛领域的通用计算引擎,包括我自己的高性能计算专业。”

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谷歌高级研究员、谷歌人工智能高级副总裁Jeff Dean表示:“由于 3D 计算机图形技术现在已经非常普及,我们常常忘记这个领域在不久前是什么样子的。虽然技术在不断发展,但是 Hanrahan 和 Catmull 几十年前开发的技术,至今仍是该领域的标准,这给人留下了深刻的印象。表彰 CGI 技术的科学贡献,并让公众了解这样一个在未来几年将影响虚拟与增强现实、数据可视化、教育、医学影像等诸多领域的学科,是十分重要的。”

“Pat Hanrahan在3D建模和图像渲染方面的工作非常杰出,这是让计算机能够可视化的表示图形,让人和计算机可以图形化的交互,应用范围及其广泛,包括:计算机成像、三维动画,甚至网络影像传播也属于这个方向的范畴。这也是Hanrahan成为好几家公司首席科学家的原因。”清华大学计算机系教授唐杰对此表示。

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如今,名利双收的Hanrahan,据说只将20%的时间花在了公司上,重心还在斯坦福大学,依旧致力于计算机图形学的发展,不变的或许是他的那份初衷:我认为我们可以把抽象概念、数学和算法转换成图像的想法,这是世界上最酷的事情。

而Catmull仍然坚守所爱。2006年皮克斯出售给迪士尼后,成为迪士尼动画总裁,始终管理着皮克斯,直到2018年10月完全退休。

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那时候,73岁的Catmull在一份告别信中说:

在我最疯狂的想象中,也从未想过这样一条路,并且可以与诸多非凡的人一起工作。这条路曲折、起伏,起起落落,但始终令人振奋、满怀才华、激情和奉献,让我们的工作在世界上产生了持久影响。

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