計算機CGI技術是怎樣影響著娛樂行業(yè)的方方面面

這兩位把最好年華獻給電影行業(yè)的計算機科學家，不僅為今天的好萊塢電影特效技術奠定了基礎，還徹底改變了游戲、虛擬現(xiàn)實和人工智能行業(yè)。

CGI技術的先行者獲獎

2019 年，全球電影行業(yè)產(chǎn)值達到 1380億美元，全球游戲市場實現(xiàn) 1521 億美元，3D 計算機生成圖像技術在其中不可或缺。

而在未來，虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、數(shù)據(jù)可視化、教育、醫(yī)學圖像等任何一個同視覺相關的領域，CGI 技術都有著重要功能和意義。

1995 年前橫空出世的《玩具總動員》，背后是艾德文·卡特姆和帕特里克·漢拉汗等科學家研究耕耘了二十多年的 CGI 技術。

而《玩具總動員》誕生后的二十五年，CGI技術的應用深刻地影響到了娛樂行業(yè)的方方面面，這種影響也將肉眼可見地繼續(xù)持續(xù)著。

今年3月18日，國際計算機協(xié)會公布了2019年圖靈獎的獲獎人，分別是計算機科學家、皮克斯動畫工作室聯(lián)合創(chuàng)始人艾德文·卡特姆，以及來自斯坦福大學計算機圖形學實驗室教授帕特里克·漢拉汗。

前者現(xiàn)在是迪士尼動畫退休總裁，后者是斯坦福圖形學教授。

因二人在 3D 計算機圖形學的奠定性貢獻，以及延伸出的 CG 成像技術在電影制作和其他領域的革命性影響，將圖靈獎授予二人。

論文中的兩種技術奠定雛形

卡特姆在他的博士論文中用了兩種開創(chuàng)性的技術來顯示曲面而不是用多邊形：z 緩沖和紋理映射，前者處理圖像深度坐標，后者處理二維表面在三維對象上的紋理映射。

Z 緩沖算法也叫深度緩沖器算法，屬于圖像空間消隱算法，該算法有幀緩沖器和深度緩沖器。

假定xoy面為投影面，z軸為觀察方向，過屏幕上任意像素點（x，y） 作平行于 z 軸的射線 R，與物體表面相交于p1和p2點，p1和p2 點的z值稱為該點的深度值。

z－buffer算法比較p和p2的z值，將最大的z值存入z緩沖器中，顯然p1在p2前面，屏幕上（x，y）這一點將顯示 p1 點的顏色。

算法思想：先將 Z 緩沖器中各單元的初始值置為最小值。當要改變某個像素的顏色值時，首先檢查當前多邊形的深度值是否大于該像素原來的深度值（保存在該像素所對應的Z緩沖器的單元中）。

如果大于原來的z值，說明當前多邊形更靠近觀察點，用它的顏色替換像素原來的顏色。

推動RenderMan圖形系統(tǒng)影響電影產(chǎn)業(yè)

70 年代初，師從計算機圖形學的創(chuàng)始人之一伊萬·薩瑟蘭、在猶他大學獲得計算機博士學位的艾德文·卡特姆因他的計算機圖形學研究成果，受邀加入盧卡斯影業(yè)。

1972年卡特姆應用自己的技術創(chuàng)作出一部名為“計算機動畫之手”的短片，這是最早的計算機動畫作品之一。

1986年史蒂夫·喬布斯 收購了盧卡斯影業(yè)計算機動畫部門，更名為皮克斯，他選擇 卡特姆 擔當動畫公司的總裁。

這時，舊金山威斯康星大學麥迪遜分校年輕的生物物理學學生帕特里克· 漢拉汗決定放棄昆蟲研究，入職皮克斯，與卡特姆搭檔推動計算機圖形學的發(fā)展。

漢拉汗在卡特姆和其他同事十多年工作的基礎上，開發(fā)出了一個叫RenderMan的圖形系統(tǒng)，漢拉汗 擔任開發(fā)團隊的首席架構師。

RenderMan用真實的材質和光影來渲染曲線形狀，電影制作人可以把圖像與真實場景自然融合，產(chǎn)生逼真的動畫效果。

簡單地說，RenderMan就是一個計算機圖像渲染體系，它支持復雜的燈光和著色器，將光反射行為與幾何形狀分開，并計算形狀上各點的顏色、透明度和紋理，同時，RenderMan系統(tǒng)結合了卡特姆提出的Z緩沖和細分曲面創(chuàng)新。

多項技術傍身，這使得通過RenderMan生成的數(shù)字圖像比之前的任何圖像都要更真實。

2001年，RenderMan 成為第一個贏得奧斯卡獎的軟件。而在最近獲得奧斯卡金像獎提名的47部電影中，有44部使用了皮克斯的 RenderMan ；其中就包括了《阿凡達》，《泰坦尼克號》，《指環(huán)王》三部曲和《星球大戰(zhàn)》系列。

漢拉汗和卡特姆 二人組讓計算機科學技術與娛樂產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)造力結合在一起，創(chuàng)造出一個又一個視覺奇觀。

同時，RenderMan 圖形系統(tǒng)還授權給了其他公司，《侏羅紀公園》、《終結者 2》、《異形 3》、《阿甘正傳》等著名電影，許許多多經(jīng)典電影的特效都是基于該系統(tǒng)制作而成。

詹姆斯·卡梅隆的兩部賣座大片《泰坦尼克號》和《阿凡達》使用的都是RenderMan，RenderMan成為CG領域重要的3D渲染軟件，曾兩度獲得奧斯卡科學技術獎。

在RenderMan之外，漢拉汗還開發(fā)出了體積渲染技術、廣場渲染概念，完善了表面下散射渲染皮膚和頭發(fā)、全局照明、GPU 編程語言等技術。

并基于 Edwin Catmull 研究基礎，他帶領團隊開發(fā)了具有跨時代意義的特效渲染標準——RenderMan，用于三維模型并渲染成數(shù)字圖像，通俗點說 RenderMan 是電影特效工業(yè)中最經(jīng)典的渲染器。

開發(fā)GPU語言編譯器＋數(shù)據(jù)科學軟件后勁強悍

特別值得一提的，就是漢拉汗和他學生共同開發(fā)的GPU語言“Brook”。Brook是一種流編程語言的編譯器，可以將類似C這樣的語言通過編譯器編譯為CG代碼，隱藏了利用圖形學API實現(xiàn)的細節(jié)，可以說是大大簡化了開發(fā)過程。

而這些著色語言和GPU，就像作用力和反作用力。這些架構的發(fā)展反過來讓GPU在各種計算環(huán)境下使用，包括運行高性能和機器學習算法。Brook后來就催生了英偉達的CUDA。

就是數(shù)據(jù)科學和可視化工作中經(jīng)常會用到的軟件“Tableau”也在隨后被開發(fā)出來，它將數(shù)據(jù)運算與美觀的圖表完美地嫁接在一起，而且非常容易上手，將大量數(shù)據(jù)拖放到數(shù)字“畫布”上，轉眼間就能創(chuàng)建好各種圖表。

影響力也是十足，全球超過42000家客戶通過使用Tableau快速生成所需結果，可以說是遍及各個行業(yè)的各類規(guī)模企業(yè)。

或許正因如此，CRM巨頭Salesforce以157億美元高價收購Tableau，這是Salesforce成立20年歷史上最大的交易，讓漢拉汗成為了億萬富翁。

結尾：

如今，名利雙收的漢拉汗，據(jù)說只將20％的時間花在了公司上，重心還在斯坦福大學，依舊致力于計算機圖形學的發(fā)展，不變的或許是他的那份初衷：“我認為我們可以把抽象概念、數(shù)學和算法轉換成圖像的想法，這是世界上最酷的事情?！?br /> 責任編輯：wv