2019动画制作图灵奖揭秘:皮克斯“动画帝国”从他们开启,还顺便带火了GPU

2020-03-19

2019动画制作图灵奖揭秘:皮克斯“动画帝国”从他们开启,还顺便带火了GPU


自1966年艾伦·佩利获得第一届图灵奖(Turing Award)开始,图灵奖作为计算机界的“诺贝尔奖”已经颁发了53届,共73位科学家获此殊荣。

昨天,ACM(国际计算机协会)宣布2019年度图灵奖授予Patrick M. Hanrahan和Edwin E. Catmull,以表彰他们对3D计算机图形学的贡献。


2019动画制作图灵奖揭秘:皮克斯“动画帝国”从他们开启,还顺便带火了GPU


ACM同时宣布,2020年6月20日将在加利福尼亚州旧金山举行ACM年度颁奖宴会,正式为Hanrahan和Catmull颁发奖项,两位获奖者也将共同分享100万美元奖金。


相比去年获奖的“深度学习”三巨头,这两位的工作可以说离大众要近得多,如果你喜欢看电影,那么你多半是体验过这两位获奖者的技术成果。


Patrick M. Hanrahan是著名的计算机科学家,皮克斯动画工作室联合创始人、前总裁;Patrick Hanrahan是斯坦福大学计算机图形学实验室教授,同时也是皮克斯动画工作室创始员工之一。


2019动画制作图灵奖揭秘:皮克斯“动画帝国”从他们开启,还顺便带火了GPU


Hanrahan和Catmull的主要成就都是在电影制作和计算机生成图像(CGI)领域,他们通过技术创新,影响了整个计算机图形学领域。


从博士开始,Catmull便开始对计算机图形学技术的创新突破,并一手带领了皮克斯公司3D动画的研发工作;Hanrahan加入皮克斯之后,他的RenderMan研究直接奠定了整个3D动画电影的基础,我们熟知的《星球大战》、《阿凡达》、《指环王》都运用了RenderMan。


可以这么说,如果没有这两位,我们不知道何时才能看到3D动画电影。


除了影响了3D电影制作,他们对GPUs的研究还对人工智能和数据管理产生了深刻的印象,比如Hanrahan针对GPU开发的一种用于GPU的语言Brook,最终催生了NVIDIA的CUDA!


ACM主席 Cherri M. Pancake高度评价两位获奖者的成就:

“CGI改变了电影制作和体验方式,同时也更广泛地影响了娱乐行业。我们非常高兴认识到Pat Hanrahan和Ed Catmull,因为计算机图形学是ACM中最大和最活跃的领域之一,ACM SIGGRAPH年会就是证明。与此同时,Catmull和 Hanrahan的贡献表明,在计算的一个特定领域的进步也可以对其他领域产生重大影响,例如Hanraha为GPUs开发着色语言,使GPUs成为更广泛领域的通用计算引擎,包括我自己的高性能计算专业。”


谷歌人工智能高级副总裁 Jeff Dean得知消息后也“发来贺电”:

“由于3D计算机图形技术现在已经非常普及,我们常常忘却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,至今仍是行业标准,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VR与AR、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。”


缘分+默契,RenderMan开启“皮克斯时代”

说到Hanrahan和Catmull,两人也是深交多年的一对“好基友”了。

1974年,Catmull以计算机科学博士的身份毕业于犹他大学,在他的博士论文中,Catmull提出了一种明确显示弯曲块状物而非多边形的突破性方法,在此基础上提出了3D环境中的Z缓冲(Z-buffering)和纹理贴图(texture mapping),这也是生成逼真的CG图形的决定因素。


毕业之后,Catmull以合伙人身份创办NYIT计算机图形实验室,这是美国最早的专业计算机图形实验室之一,但是,Catmull心中还有一个梦想,那就是制作一部计算机图形技术的动画电影。


直到1979年,梦想终于向他抛出了橄榄枝,以《星球大战》系列电影拉高艺术和计算机图形电影标准的好莱坞著名导演兼制片人乔治卢卡斯(George Lucas)邀请他加入Lucasfilm。在Lucasfilm工作期间,2D技术仍然是行业主流,但Catmull始终坚持3D计算机图形动画的研究。


1986年,乔布斯收购Lucasfilm,将其改名为现在大家耳熟能详的皮克斯影业,Catmull也在这次收购后理所应当地“升职”成为旗下动画公司的总裁。

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姗姗来迟的Hanrahan正是Catmull在新公司皮克斯招募的首批员工之一。


Hanrahan在1985年获得威斯康星大学麦迪逊分校的生物物理学博士学位,以一名AI研究人员的身份开始了他的职业生涯。而在加入皮克斯之前,他曾工作的实验室正是Catmull创办的NYIT计算机图形实验室。


进入皮克斯之后,Hanrahan和Catmull一拍即合,从此之后,两个人的名字就被绑定在了一起。


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RenderMan,就是他们二人在皮克斯的工作结晶。这项生产渲染器雏形集合他们多年对计算机图形的创新想法,也是皮克斯所独有、同时授权给多个动画工作室的跨时代技术。


简单地说,RenderMan就是一个计算机图像渲染体系,它支持复杂的灯光和着色器,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,同时,RenderMan系统结合了Catmull提出的Z缓冲和细分曲面创新。多项技术傍身,这使得通过RenderMan生成的数字图像比之前的任何图像都要更真实。


关于“RenderMan”这个名字的由来,Hanrahan分享了一个有趣的故事,初来加州时,他碰到了Jaron Lanier,他让Hanrahan对VR产生了兴趣,“这个年代人们有Walkman和Discman,但是他们真正需要的是RenderMan,你可以用皮带把它固定在眼镜上,你就可以看到所有不可思议之物,但没人喜欢RenderMan这个名字”。

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1990年,在ACM SIGGRAPH上,Hanrahan把这项技术以RenderMan这个名字不受欢迎正式命名。只是当时他们还不知道,到计算硬件能够支持RenderMan、制作《玩具总动员》这样的3D动画电影,还有漫长的5年。


在这期间,Hanrahan敏锐地注意到,由于计算硬件与构想的软件并不相称,两人一直拘泥在理论工作中。也是在此时,他们生命中的另一位“贵客”出现了,由于在芯片项目中引用Hanrahan在1990年所写的关于3D图像的学术论文,英伟达对他们的工作表现出了极大的兴趣。多方考究之下,Catmull也认为,英伟达的芯片处理技术对他们的研究十分有帮助。


天时地利人和之下,1995年,世界上第一部长篇计算机动画电影《玩具总动员》上映,获得口碑和票房的大丰收,观众和影评人都盛赞该片,这是一部在技术和艺术上都有重大意义的杰作(marvel)。

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在Catmull的领导下,除了《玩具总动员》系列电影,皮克斯用RenderMan还制作一系列成功的电影。迄今为止,奥斯卡金像奖获得最佳视觉效果的44部电影中,包括《阿凡达》《泰坦尼克号》《美女与野兽》《指环王》三部曲和《星球大战》前传等,都能看到RenderMan的身影。


除了在皮克斯的工作,Pat Hanrahan同时也是可视化企业Tabluea公司的创建者,Tableau最初在1997至2002年期间,发起于斯坦福大学计算机专业的学术研究中。Pat Hanrahan教授和他的一个博士生Chris Stolte在研究基于表格的多维关系数据展示时,发现多维展示和可视化,一直都是关系型数据库的羸弱之处,需要额外的数据专家、开发人员和美工人员协同工作,才能把数据较好的呈现出来。


这对师徒把关系型数据库的语法与驱动图像展示的编程脚本整合在一起,开发出了VizQL,一种全新的可视化关系数据库,这是Tableau公司产品中最核心的技术,并且提供了一个高度定制的界面,可以从多种角度高效直观的展示多维数据库的数据结构与逻辑关系。


2003年,Stolte的老朋友,软银的合伙人Christian Chabot加盟Tableau。自此,Tableau便从斯坦福大学这个孵化器中走了出来,将总部设在了西雅图。

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Tableau是一家专门为企业提供商务智能解决方案的初创企业。商务智能解决方案提供商的竞争随着“大数据”概念的兴起也愈发的激烈,从甲骨文、IMB、微软到各种开源CRM和数学建模软件等,而Tableau另辟蹊径,以其卓越的数据库可视化技术,在商务智能领域另辟蹊径。


Tableau也十分注重用户体验,提供了一个非常新颖而易用的使用界面,使得处理规模巨大的、多维的数据时,也可以即时的从不同角度和设置下看到数据所呈现出的规律。Tableau通过数据可视化方面技术,使得数据挖掘变得平民化;而其自动生成和展现出的图表,也丝毫不逊色于互联网美工编辑的水平。正是这个特点奠定了广泛的用户基础和高续订率。


1988年,图形学的首个图灵奖诞生

这不是图形学首次获此殊荣。

1988年,在图形学的历史上,迎来了第一位图灵奖获得者Ivan Edward Sutherland,被人们尊称为当代计算机辅助设计(CAD)之父。


Sutherland为计算机图形学领域做出了开创性和前瞻性的贡献。其中包括用于屏幕刷新的显示文件、用于建模图形对象的递归遍历层次结构、用于几何转换的递归方法和面向对象的编程风格等。


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Ivan Edward Sutherland

1963年,Sutherland发明了交互式图形系统Sketchpad。1968年,Sutherland在其学生Bob Sproull的协助下,开发了被认为是第一个虚拟现实(VR)和增强现实(AR)的HMD(Head Mounted Display)系统。

那么计算机图形学到底是什么呢?

计算机图形学,简称CG,是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。简单地说,计算机图形学的主要研究内容就是研究如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。

计算机图形学的核心目标在于创建有效的视觉交流。在科学领域,图形学可以将科学成果通过可视化的方式展示给公众;在娱乐领域,如在PC游戏、手机游戏、3D电影与电影特效中,计算机图形学发挥着越来越重要的作用。

更重要的是,计算机图形学在帮助人脑从图形图像的角度理解事物本质的方面上有着的重要作用,因为图形图像比单纯数字具有更强的洞察力。

了解了计算机图形学之后,我们再来了解一下图灵奖。

“计算机之父”——图灵

说到图灵奖,就不得不介绍一下有着“计算机之父”称号的图灵。


图灵,生于1912年,是英国的数学家、逻辑学家。图灵对于计算机科学有着不可磨灭的功劳,他最大的贡献之一就是和团队研制出了世界上“第一台”计算机。

在二战期间,他被邀请从事破译德国密码系统“英格玛”的工作,由于破译过程涉及太多的可能性,是人类无法在短时间计算出的,因此图灵和他的团队共同研制出了这样一台强大的“机器大脑”,最终成功破解密码!帮助盟军取得了二战的胜利,甚至使得二战足足提早两年结束。


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1943年图灵等人研制成功的巨型计算机

图灵在战争中流尽鲜血,却在和平中寸步难行。二战结束后,图灵因同性恋倾向被英国政府定罪,要么进监狱、要么进行“激素治疗”,图灵选择了后者。

1954年,图灵在家中服毒自尽,享年41岁。直到2013年,在英国司法大臣克里斯·格雷灵的要求下,英国女王伊丽莎白二世宣布了对图灵的赦免。同时,英国前首相卡梅伦表示:图灵在二战时破解德军密码、拯救国家上发挥了关键作用,是一个了不起的人。


关于图灵在二战期间破译密码、扭转历史这一传奇经历,文摘菌推荐大家看一部名叫《模仿游戏》的电影,片中图灵由“卷福”出演。

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图灵本人和《模仿游戏》中图灵的形象


为了纪念他对计算机科学做出的巨大贡献,由美国计算机协会(ACM)于1966年设立了一年一度的图灵奖(Turing Award) ,全称“A.M. 图灵奖”,以表彰在计算机科学中做出突出贡献的人。


由于图灵奖对获奖条件要求极高,评奖程序极严,一般每年只奖励一名计算机科学家,只有极少数年度有两名合作者或在同一方向作出贡献的科学家共享此奖。因此它是计算机界最负盛名、最崇高的一个奖项,有“计算机界的诺贝尔奖”之称。

不仅是计算机科学,图灵也为后来的人工智能科学提供了开创性的构思。他提出了一种用于判定机器是否具有智能的试验方法,即著名的“图灵测试”。

图灵曾说过,“有时候,正是那些意想不到之人,成就了无人能成之事。”到今天,用这句话来形容此次获奖的两位大师依然贴切,我们也期待未来有更多用技术让我们生活更美好的“意想不到之人”还有“无人能成之事”。