我們經(jīng)常在奧斯卡頒獎(jiǎng)禮上感受到皮克斯的力量，但這一次，它的創(chuàng)始成員登上了圖靈獎(jiǎng)的頒獎(jiǎng)臺(tái)。

昨日，ACM（國(guó)際計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)）宣布，將 2019 圖靈獎(jiǎng)榮譽(yù)授予兩位皮克斯聯(lián)合創(chuàng)始人、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)專家 Patrick M. Hanrahan 和 Edwin E. Catmull。這也是繼 1988 年 IVAN SUTHERLAND 之后，圖形學(xué)第二次獲得圖靈獎(jiǎng)。

Edwin E. Catmull 與 Patrick M. Hanrahan 均為皮克斯動(dòng)畫工作室創(chuàng)始成員。Hanrahan 現(xiàn)為斯坦福大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)驗(yàn)室教授。Catmull 不僅參與創(chuàng)立了皮克斯，還曾擔(dān)任華特 · 迪士尼動(dòng)漫工作室的總裁，目前已經(jīng)退休。

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據(jù) ACM 官方公告，Catmull 和 Hanrahan 的獲獎(jiǎng)理由為：「他們?cè)诟拍顒?chuàng)新和軟硬件方面的貢獻(xiàn)，對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)產(chǎn)生了根本性的影響。從 25 年前的《玩具總動(dòng)員》至今，這種由計(jì)算機(jī)所繪制的全新故事影片為電影制作帶來了革命性的影響。」

圖靈獎(jiǎng)是國(guó)際計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)（ACM）于 1966 年設(shè)立的獎(jiǎng)項(xiàng)，專門獎(jiǎng)勵(lì)對(duì)計(jì)算機(jī)事業(yè)作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人，有「計(jì)算機(jī)界諾貝爾獎(jiǎng)」之稱，獎(jiǎng)金為 100 萬美元，由谷歌贊助。圖靈獎(jiǎng)的名稱取自英國(guó)數(shù)學(xué)家、計(jì)算機(jī)學(xué)先驅(qū)艾倫·圖靈（Alan M. Turing），他奠定了計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和局限性理論。

這一次獲獎(jiǎng)的 Catmull 和 Hanrahan 二人，將在 2020 年 6 月 20 日于加利福尼亞州舊金山舉行的 ACM 年度頒獎(jiǎng)宴會(huì)上，正式接受獎(jiǎng)項(xiàng)頒發(fā)和 100 萬美元獎(jiǎng)金。

在如今全球價(jià)值 1380 億美元的電影行業(yè)之中，3D 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫影片是最受歡迎的類型。3D 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，對(duì)當(dāng)前熱門的電子游戲行業(yè)和 VR、AR 等行業(yè)都起到了至關(guān)重要的作用，而 Catmull 和 Hanrahan 在這一領(lǐng)域做出了開創(chuàng)性的技術(shù)貢獻(xiàn)，這些貢獻(xiàn)至今仍是 CGI 圖像開發(fā)中不可或缺的一部分。此外，他們?cè)?GPU 方面的見解不僅在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)方面具備影響力，同時(shí)也影響了數(shù)據(jù)中心管理和人工智能在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域。

ACM 主席 Cherri M. Pancake 表示：「CGI 圖像開發(fā)已經(jīng)改變了電影制作和體驗(yàn)的方式，同時(shí)也對(duì)更廣泛的娛樂產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。我們特別高興大家能夠認(rèn)可 Pat Hanrahan 和 Ed Catmull 做出的成就，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是 ACM 協(xié)會(huì)中最大且最具活力的研究領(lǐng)域之一。Hanrahan 和 Catmull 做出的貢獻(xiàn)表明，計(jì)算機(jī)某個(gè)專業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)展能夠?qū)︻I(lǐng)域內(nèi)其他學(xué)科產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。例如，Hanrahan 在 GPU 著色語(yǔ)言方面的研究使得這些語(yǔ)言被用作更廣泛領(lǐng)域內(nèi)的通用計(jì)算引擎，包括我自己的高性能計(jì)算領(lǐng)域?！?/p>

谷歌高級(jí)研究員、Google AI 高級(jí)副總裁 Jeff Dean 表示：「當(dāng)今，由于 3D 計(jì)算機(jī)圖形圖像無處不在，我們常常忘記該領(lǐng)域的發(fā)展情況如何，就像模擬兩個(gè)人打乒乓球的電子游戲 Pong 一樣，兩條線中間一個(gè)點(diǎn)在動(dòng)，這也是尖端科技。技術(shù)雖然一直在進(jìn)步，但不得不承認(rèn) Hanrahan 和 Catmull 數(shù)十年前的研究成果依然是現(xiàn)今該領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)慣例，這實(shí)在是太厲害了。非常重要的一點(diǎn)是，我們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到 CGI 技術(shù)的科學(xué)貢獻(xiàn)，并讓公眾了解這門技術(shù)會(huì)在未來幾年對(duì) AR、VR、數(shù)據(jù)可視化、教育、醫(yī)學(xué)影像等諸多領(lǐng)域產(chǎn)生影響。」

3D 動(dòng)畫電影的開山鼻祖

說到這兩位科學(xué)家的名字，大家未必覺得耳熟能詳，但你絕對(duì)看過他們前公司的「作品」。這家公司叫皮克斯，前身是盧卡斯電影公司旗下的工業(yè)光魔公司的電腦動(dòng)畫部，1986 年被喬布斯以 1000 美元收購(gòu)，現(xiàn)在已經(jīng)成長(zhǎng)為全球頂尖的動(dòng)畫電影公司。

這個(gè)片頭你一定見過很多次。

作為一家動(dòng)畫電影公司，皮克斯開創(chuàng)了一個(gè)新的時(shí)代。1995 年，該公司上映了世界上第一部 3D 動(dòng)畫電影——《玩具總動(dòng)員》。在此之后，越來越多的 3D 動(dòng)畫電影問世，點(diǎn)燃了全新的電腦動(dòng)畫工業(yè)。

而說到 3D 動(dòng)畫電影背后的技術(shù)功臣，不得不提 Edwin E. Catmul 和 Patrick Hanrahan。

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Edwin Catmull。

Catmull 1945 年出生于西弗吉尼亞州西北部的帕克斯堡，后移居猶他州。他最初的動(dòng)畫夢(mèng)想來源于《彼得·潘》和《皮諾曹》等迪士尼電影，甚至曾經(jīng)自己制作過翻書動(dòng)畫。

但出于現(xiàn)實(shí)條件的考量，他最終沒有選擇在電影界入行，而是利用自己在數(shù)學(xué)方面的天賦，進(jìn)入猶他大學(xué)學(xué)習(xí)物理和計(jì)算機(jī)科學(xué)，畢業(yè)后曾在西雅圖波音公司短暫地?fù)?dān)任程序員。

自從 1970 年回到大學(xué)攻讀研究生開始，Catmull 就確立了「制作一部計(jì)算機(jī)動(dòng)畫電影」的目標(biāo)。期間，Catmull 創(chuàng)建了一種通過規(guī)范粗粒度多邊形網(wǎng)格來表示光滑表面的新方法。此外，在他的博士論文中，Catmull 引入了兩種突破性的技術(shù)來顯示曲面補(bǔ)丁，取代了多邊形，它們分別是：管理計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中圖像深度坐標(biāo)的 Z-buffering；將 2D 表面紋理映射在 3D 對(duì)象上的紋理映射（texture mapping）。Catmull 的技術(shù)在開發(fā)擬真圖形學(xué)以及消除「鋸齒狀圖形」方面發(fā)揮了重要作用。

在離開猶他大學(xué)之后，Catmull 成立了紐約理工學(xué)院（NYIT）計(jì)算機(jī)圖形實(shí)驗(yàn)室，這是美國(guó)最早期的專門化計(jì)算機(jī)圖形實(shí)驗(yàn)室之一。在那個(gè)時(shí)候，Catmull 就有著制作動(dòng)畫電影的夢(mèng)想。

自 1986 年成立以來，皮克斯動(dòng)畫工作室就為觀眾獻(xiàn)上了眾多經(jīng)典的動(dòng)畫電影。

2008 年，Catmull 獲得奧斯卡戈登·E·索耶獎(jiǎng)（奧斯卡獎(jiǎng)的特別獎(jiǎng)之一），獲獎(jiǎng)理由是他在「電腦圖形學(xué)上的杰出成就對(duì)電影行業(yè)所作出的貢獻(xiàn)」。

與 Catmul 相比，Hanrahan 進(jìn)入皮克斯的時(shí)間要稍晚一些。

Hanrahan 1985 年在威斯康星大學(xué)麥迪遜分校獲得生物物理學(xué)博士學(xué)位，隨后在 NYIT 計(jì)算機(jī)圖形實(shí)驗(yàn)室有過一段工作經(jīng)歷。1986 年，Hanrahan 進(jìn)入皮克斯擔(dān)任高級(jí)科學(xué)家，是 Catmull 在皮克斯招募的第一批員工之一。

在皮克斯就職期間，Hanrahan 與 Catmull 等人一起開發(fā)了一種新的圖形系統(tǒng)，可以讓制作者利用真實(shí)的材料屬性和光照對(duì)彎曲的圖形進(jìn)行渲染。該系統(tǒng)后來被命名為「RenderMan」，這一系統(tǒng)后來被應(yīng)用于《玩具總動(dòng)員》、《哈利波特》、《星球大戰(zhàn)》等多部皮克斯動(dòng)畫電影的渲染設(shè)計(jì)。

RenderMan 無疑是好萊塢工業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)工具。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在 47 部被提名了奧斯卡最佳藝術(shù)特效的電影中，44 部使用了這一工具。它主要幫助計(jì)算機(jī)生成電影中的視覺特效，從簡(jiǎn)單的塑料玩具表面紋理到更復(fù)雜的物理現(xiàn)象，如皮毛和水花等。

1979 年，執(zhí)導(dǎo)了星球大戰(zhàn)系列電影的著名導(dǎo)演喬治·盧卡斯（George Lucas）聘請(qǐng)了 Catmull，彼時(shí)動(dòng)畫電影領(lǐng)域還是以傳統(tǒng) 2D 技術(shù)為主導(dǎo)，Catmull 及其同事則致力于推動(dòng)圖形學(xué)向真實(shí)感圖像發(fā)展。

在 1986 年喬布斯收購(gòu)盧卡斯?fàn)I業(yè)并將其更名為皮克斯動(dòng)畫工作室后，Catmull 繼續(xù)出任總裁職位，并推動(dòng)了一部又一部經(jīng)典動(dòng)畫電影的誕生，如玩具總動(dòng)員系列、賽車總動(dòng)員系列、海底總動(dòng)員以及尋夢(mèng)環(huán)游記、飛屋環(huán)游記等等。

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Patrick M. Hanrahan

此外，Hanrahan 還開發(fā)了立體渲染技術(shù)（olume rendering），該技術(shù)可以讓 CGI 繪圖者渲染 3D 數(shù)據(jù)集的 2D 投影，比如一縷煙霧。

在他最常被引用的一篇論文中，Hanrahan 介紹了光場(chǎng)渲染。這種技術(shù)可以讓人產(chǎn)生一種飛過場(chǎng)景的感覺，它從任意點(diǎn)生成新的視角，無需借用深度信息或特征匹配。

Hanrahan 還開發(fā)了利用次表面散射（subsurface scattering）描繪皮膚和頭發(fā)、利用蒙特卡羅光線追蹤來渲染復(fù)雜照明效果的技術(shù)。

1990 年，Hanrahan 在 ACM SIGGRAPH 上發(fā)表了關(guān)于 RenderMan 的研究論文。然而，當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)硬件并沒有達(dá)到可以充分利用 Hanrahan 的 RenderMan 系統(tǒng)的水平，所以 5 年之后 3D 電腦動(dòng)畫電影《玩具總動(dòng)員》才問世。

1989 年，Hanrahan 離開皮克斯，之后在普林斯頓和斯坦福大學(xué)擔(dān)任教職。進(jìn)入 1990 年代之后，Hanrahan 和他的學(xué)生擴(kuò)展了 Renderman 著色語(yǔ)言，使得其可以在當(dāng)時(shí)剛打入市場(chǎng)的 GPU 上實(shí)時(shí)運(yùn)行。Hanrahan 和他的學(xué)生為 GPU 開發(fā)的編程語(yǔ)言帶動(dòng)了商業(yè)版著色語(yǔ)言的開發(fā)（包括 OpenGL），從而徹底改變了電子游戲的程序編寫。

GPU 上著色語(yǔ)言的廣泛性和多樣性促使 GPU 硬件設(shè)計(jì)者開發(fā)了更加靈活的架構(gòu)。這些架構(gòu)使得 GPU 可用于各種計(jì)算環(huán)境，包括用于高性能計(jì)算應(yīng)用程序的算法，以及用于在海量數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練 ML 算法等。Hanrahan 和他的學(xué)生還發(fā)明了 Brook，這是一種用于 GPU 的語(yǔ)言，最終間接導(dǎo)致了 CUDA 的誕生。

在皮克斯的 30 多年間，Catmull 領(lǐng)導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)十名研究人員開發(fā)了包括圖像合成、運(yùn)動(dòng)模糊、布料模擬等多項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)，而 Hanrahan 和 Catmull 二人也均以其技術(shù)貢獻(xiàn)獲得過 ACM SIGGRAPH 和美國(guó)電影藝術(shù)與科學(xué)院的獎(jiǎng)項(xiàng)。