什么是计算机图形学? 用计算机“再造”新世界

计算机图形学历次大的变革均与工业应用密切相关，从动画制作，到游戏开发，再到互联网时代的交互等，都能看到它深入其中。

一直以来，如《寻梦环游记》《阿凡达》及《美女与野兽》等动画电影，以生动逼真的画面带给了人们美好的享受。殊不知这样引人入胜的艺术背后，有着两位技术大腕的卓越贡献，他们就是皮克斯的两位联合创始人，计算机图形科学专家卡特莫尔和斯坦福大学教授汉拉罕。

近日，国际计算协会(ACM)将2019年图灵奖授予他们二人，以表彰他们对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)的重要影响。

素有“计算机界诺贝尔奖”之称的图灵奖规格极高，通常一年只授予一名计算机科学家，只有少数情况下才会有两名合作者或在同一方向获得巨大突破的科学家获此殊荣。这次颁奖，也是继1988年之后，计算机图形学再次加冕这项桂冠。

实现物体全方位形状的数字化

究竟什么是计算机图形学?获奖者汉拉罕的话或许可以透露出一些信息——“我认为我们可以把抽象概念、数学和算法转换成图像，这是世界上最酷的事儿。”

简单地说，计算机图形学主要研究如何在计算机中用代码来实现图形，以及利用计算机进行图形的计算和处理，内容主要包含建模、渲染、动画和人机交互。这些技术是各类动态仿真应用的核心技术，可以极大提高虚拟现实系统的沉浸感。而3D计算机图形学是指用计算机自动绘制三维的物体、人体等，目标是尽可能逼真，最好能够“以假乱真”。

远望智库AI事业部部长、图灵机器人首席战略官谭茗洲指出：“实现这个目标最大的难点在于，一是绘制曲面，很多物体和人体不是规则的长方体、正方体或球体，而是相对柔软、自由的曲面体;再一个是渲染，也就是给三维模型填充颜色和阴影的过程，照片和视频显示在二维平面上，受到光照和颜色、阴影等影响，视觉上会觉得它们有立体感，如何生成自然的颜色和阴影就是3D计算机图形学中最关键的部分。”

用计算机来复刻3D形象，就要实现物体360°全方位形状的数字化，在计算机图形领域，一个简单的图形可能需要几万行代码才能实现，要建立一个完整的立体形象，更是难上加难。人物细微的表情变化、动物栩栩如生的毛发、随风出现的水流波纹等，全部需要利用计算机图形学建模方法一一刻画。可以说，3D动画就等于用计算机重建一个世界，技术门槛极高。

促成计算机技术和电影“联姻”

在3D动画出现之前，我们所看到的2D动画电影，都是由一帧帧固定画面组成的。例如，视频通常采用的是24帧，即每秒播放24幅画面，这样一来每分钟至少要制作1440张画面。我国传统动画电影《大闹天宫》就是采用了这种制作模式，在当时没有数字技术的情况下，仅是手工绘制就用了两年多时间。此后几十年间，尽管数字技术在不断成熟，但到了今天，2D动画依旧需要大量的人工手绘，十分费时、费钱、费力。

有业内人士评价，计算机图形学改变了一个产业，开创了一个时代。没有计算机图形学，就没有3D动画电影。

从ACM的官方公告上，我们能够看到卡特莫尔和汉拉罕的获奖原因：他们在概念创新和软硬件方面的贡献，对计算机图形学产生了根本性的影响，并对这些技术在影视制作和CGI等应用上产生了革命性影响。

“1995年出现的第一部3D动画电影《玩具总动员》，就是出自卡特莫尔和汉拉罕之手。他们创造了一种全新的、完全由计算机制作的动画电影，可以说，促成了计算机技术和电影‘联姻’。”谭茗洲表示。

卡特莫尔于1974年在犹他大学获得计算机科学博士学位。在读书期间，他遇到了他的导师——“计算机图形学之父”伊万·萨瑟兰。在伊万·萨瑟兰的带领下，他意识到，当时新兴的计算机图形学将成为动画行业的基础，这刚好结合了他的两项爱好——计算机和动画。卡特莫尔创新性地发明了两个计算机图形学的基本技术——纹理映射和B样条，开发了最早的3D显示算法和多边形映射技术以逼近复杂的曲面。

在卢卡斯影业工作期间，卡特莫尔和汉拉罕等研究人员一起开发出一套着色技术和相应的软件“渲染者”，令计算机能够成功地将光反射行为与几何形状分开，从而生成极具真实感的图形，成功助推了《终结者2：审判日》和《侏罗纪公园》等多款爆品。卡特莫尔和汉拉罕的技术支持，也让全世界看到了一种全新的、完全由计算机制作的动画影像。

正如ACM主席凯里·谢里所言:“CGI图像开发改变了电影制作和体验的方式，同时也对更广泛的娱乐产业产生深远影响。”在如今全球价值1380亿美元的电影行业之中，3D动画影片已成为深受人们欢迎的类型之一。

图灵奖并不是计算机图形学的终点

鉴于图灵奖在业界至高的地位，有研究者认为，如果一项技术的发明者被授予图灵奖，那就说明这个领域的原始开拓“做到头了”，接下来就会进入修修补补和大规模应用的阶段。今年的获奖名单刚一公布，就有计算机图形学领域研究者顺势喊出“计算机图形学结束了!”

针对此事，谢里评价道：“计算机图形学是ACM协会中最大且最具活力的研究领域之一。卡特莫尔和汉拉罕的贡献证明，一项专用的计算技术可以对其他领域产生重大影响。例如，汉拉罕在图形处理器(GPU)着色语言方面的研究，使得这些语言被用作更广泛领域内的通用计算引擎，包括高性能计算领域。”

回顾历史不难发现，计算机图形学历次大的变革均与工业应用密切相关，从动画制作，到游戏开发，再到互联网时代的交互等，都能看到它深入其中。然而时代在发展，技术在进步，应用需求也在不断发生变化。以上这些场景的技术研发或许已经满足了需求，但计算机图形学的前景依旧十分广阔。

“我们不得不承认，这两位科学家数十年前的研究成果依然是现今该领域的标准。但更重要的一点是，这些研究成果会在未来几年对AR、VR、数据可视化、教育、医学影像等诸多领域产生影响。”谷歌高级研究员、人工智能高级副总裁杰夫·狄恩表示。

微软亚洲研究院网络图形组也曾指出，计算机图形学未来将应用在机器人、3D打印、虚拟现实、增强现实、数字化孪生等场景。

其实，计算机图形学目前在虚拟现实方面已经有所应用，例如之前故宫展出的“动起来”的《清明上河图》，就是技术人员采用了三维布局恢复算法和虚拟环境组织方法，生动地重现了一千多年前的生活情景。这种体验式沉浸数字艺术，同时也为中国传统绘画的数字化再现开创了新的思路。

有业内人士指出，未来我们将期待计算机图形学新的革命，出现更加自然、以人为本的人机交互方式，以及更具革命性和颠覆性的图形生成和显示技术，这一切都有待于计算机图形学进一步的研究。(记者华凌)

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