2019 圖靈獎頒給 3D 電影奠基者!皮克斯「動畫帝國」從他們開啟,還順便讓 GPU 熱門了起來

2019 圖靈獎頒給 3D 電影奠基者!皮克斯「動畫帝國」從他們開啟,還順便讓 GPU 熱門了起來

自1966年艾倫‧佩利獲得第一屆圖靈獎(Turing Award)開始,圖靈獎作為電腦界的「諾貝爾獎」已經頒發了53屆,共73位科學家獲此殊榮。前幾天,ACM(電腦協會)宣佈2019年度圖靈獎授予Patrick M. Hanrahan和Edwin E. Catmull,以表彰他們對3D電腦圖形學的貢獻。

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2019圖靈獎頒給3D電影奠基者!皮克斯「動畫帝國」從他們開啟,還順便帶火了GPU

ACM同時宣佈,2020年6月20日將在加利福尼亞州舊金山舉行ACM年度頒獎宴會,正式為Hanrahan和Catmull頒發獎項,兩位獲獎者也將共同分享100萬美元獎金。

相比去年獲獎的「深度學習」三巨頭,這兩位的工作可以說離大眾要近得多,如果你喜歡看電影,那麼你多半是體驗過這兩位獲獎者的技術成果。

Patrick M. Hanrahan是著名的電腦科學家,皮克斯動畫工作室聯合創始人、前總裁;Patrick Hanrahan是史丹佛大學電腦圖形學實驗室教授,同時也是皮克斯動畫工作室創始員工之一。

2019圖靈獎頒給3D電影奠基者!皮克斯「動畫帝國」從他們開啟,還順便帶火了GPU

Hanrahan和Catmull的主要成就都是在電影製作和電腦生成圖像(CGI)領域,他們透過技術創新,影響了整個電腦圖形學領域。

從博士開始,Catmull便開始對電腦圖形學技術的創新突破,並一手帶領了皮克斯公司3D動畫的研發工作;Hanrahan加入皮克斯之後,他的RenderMan研究直接奠定了整個3D動畫電影的基礎,我們熟知的《星際大戰》、《阿凡達》、《魔戒》都運用了RenderMan。

可以這麼說,如果沒有這兩位,我們不知道何時才能看到3D動畫電影。

除了影響了3D電影製作,他們對GPUs的研究還對人工智慧和資料管理產生了深刻的印象,比如Hanrahan針對GPU開發的一種用於GPU的語言Brook,最終催生了NVIDIA的CUDA!

ACM主席 Cherri M. Pancake高度評價兩位獲獎者的成就:

「CGI改變了電影製作和體驗方式,同時也更廣泛地影響了娛樂行業。我們非常高興認識到Pat Hanrahan和Ed Catmull,因為電腦圖形學是ACM中最大和最活躍的領域之一,ACM SIGGRAPH年會就是證明。與此同時,Catmull和 Hanrahan的貢獻表明,在計算的一個特定領域的進步也可以對其他領域產生重大影響,例如Hanraha為GPUs開發著色語言,使GPUs成為更廣泛領域的通用計算引擎,包括我自己的高性能計算專業。」

Google人工智慧高級副總裁 Jeff Dean得知消息後也「發來賀電」:

「由於3D電腦圖形技術現在已經非常普及,我們常常忘卻這個領域在不久前是什麼樣子的。雖然技術在不斷發展,但是Hanrahan和Catmull幾十年前開發的技術,至今仍是行業標準,這為人留下了深刻的印象。表彰CGI技術的科學貢獻,並讓公眾瞭解這樣一個在未來幾年將影響VR與AR、資料視覺化、教育、醫學影像等諸多領域的學科,是十分重要的。」

緣分+默契,RenderMan開啟「皮克斯時代」

說到Hanrahan和Catmull,兩人也是深交多年的一對好友。

1974年,Catmull以電腦科學博士的身份畢業於猶他大學,在他的博士論文中,Catmull提出了一種明確顯示彎曲塊狀物而非多邊形的突破性方法,在此基礎上提出了3D環境中的Z緩衝(Z-buffering)和紋理貼圖(texture mapping),這也是產生逼真的CG圖形的決定因素。

畢業之後,Catmull以合夥人身份創辦NYIT電腦圖形實驗室,這是美國最早的專業電腦圖形實驗室之一,但是,Catmull心中還有一個夢想,那就是製作一部電腦圖形技術的動畫電影。

直到1979年,夢想終於向他拋出了橄欖枝,以《星際大戰》系列電影拉高藝術和電腦圖形電影標準的好萊塢著名導演兼製片人喬治盧卡斯(George Lucas)邀請他加入Lucasfilm。在Lucasfilm工作期間,2D技術仍然是行業主流,但Catmull始終堅持3D電腦圖形動畫的研究。

1986年,賈伯斯收購Lucasfilm,將其改名為現在大家耳熟能詳的皮克斯影業,Catmull也在這次收購後理所應當地「升職」成為旗下動畫公司的總裁。

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姍姍來遲的Hanrahan正是Catmull在新公司皮克斯招募的首批員工之一。

Hanrahan在1985年獲得威斯康辛大學麥迪遜分校的生物物理學博士學位,以一名AI研究人員的身份開始了他的職業生涯。而在加入皮克斯之前,他曾工作的實驗室正是Catmull創辦的NYIT電腦圖形實驗室。

進入皮克斯之後,Hanrahan和Catmull一拍即合,從此之後,兩個人的名字就被綁在了一起。

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RenderMan,就是他們二人在皮克斯的工作結晶。這項生產算繪器雛形集合他們多年對電腦圖形的創新想法,也是皮克斯所獨有、同時授權給多個動畫工作室的跨時代技術。

簡單地說,RenderMan就是一個電腦圖像算繪體系,它支援複雜的燈光和著色器,將光反射行為與幾何形狀分開,並計算形狀上各點的顏色、透明度和紋理,同時,RenderMan系統結合了Catmull提出的Z緩衝和細分曲面創新。多項技術傍身,這使得透過RenderMan生成的數位圖像比之前的任何圖像都要更真實。

關於「RenderMan」這個名字的由來,Hanrahan分享了一個有趣的故事,初來加州時,他碰到了Jaron Lanier,他讓Hanrahan對VR產生了興趣,「這個年代人們有Walkman和Discman,但是他們真正需要的是RenderMan,你可以用皮帶把它固定在眼鏡上,你就可以看到所有不可思議之物,但沒人喜歡RenderMan這個名字」。

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1990年,在ACM SIGGRAPH上,Hanrahan把這項技術以RenderMan這個名字不受歡迎正式命名。只是當時他們還不知道,到運算硬體能夠支持RenderMan、製作《玩具總動員》這樣的3D動畫電影,還有漫長的5年。

在這期間,Hanrahan敏銳地注意到,由於運算硬體與構想的軟體並不相稱,兩人一直拘泥在理論工作中。也是在此時,他們生命中的另一位「貴客」出現了,由於在晶片項目中引用Hanrahan在1990年所寫的關於3D圖像的學術論文,英偉達對他們的工作表現出了極大的興趣。多方考究之下,Catmull也認為,英偉達的晶片處理技術對他們的研究十分有幫助。

天時地利人和之下,1995年,世界上第一部長篇電腦動畫電影《玩具總動員》上映,獲得口碑和票房的大豐收,觀眾和影評人都盛讚該片,這是一部在技術和藝術上都有重大意義的傑作(marvel)。

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在Catmull的領導下,除了《玩具總動員》系列電影,皮克斯用RenderMan還製作一系列成功的電影。迄今為止,奧斯卡金像獎獲得最佳視覺效果的44部電影中,包括《阿凡達》《鐵達尼號》《美女與野獸》《魔戒》三部曲和《星際大戰》前傳等,都能看到RenderMan的身影。

除了在皮克斯的工作,Pat Hanrahan同時也是可視化企業Tabluea公司的創建者,Tableau最初在1997至2002年期間,發起於史丹佛大學電腦專業的學術研究中。Pat Hanrahan教授和他的一個博士生Chris Stolte在研究基於表格的多維關係數據展示時,發現多維展示和可視化,一直都是關係型數據庫的羸弱之處,需要額外的數據專家、開發人員和美工人員協同工作,才能把數據較好的呈現出來。

這對師徒把關係型數據庫的語法與驅動圖像展示的編程腳本整合在一起,開發出了VizQL,一種全新的可視化關係數據庫,這是Tableau公司產品中最核心的技術,並且提供了一個高度定製的介面,可以從多種角度高效直觀的展示多維數據庫的數據結構與邏輯關係。

2003年,Stolte的老朋友,軟銀的合夥人Christian Chabot加盟Tableau。自此,Tableau便從史丹佛大學這個育成中心中走了出來,將總部設在了西雅圖。

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Tableau是一家專門為企業提供商務智慧解決方案的初創企業。商務智慧解決方案提供商的競爭隨著「大數據」概念的興起也愈發的激烈,從甲骨文、IMB、微軟到各種開源CRM和數學建模軟體等,而Tableau另闢蹊徑,以其卓越的數據庫可視化技術,在商務智慧領域另闢蹊徑。

Tableau也十分注重使用者體驗,提供了一個非常新穎而易用的使用介面,使得處理規模巨大的、多維的數據時,也可以即時的從不同角度和設置下看到數據所呈現出的規律。Tableau透過數據可視化方面技術,使得數據挖掘變得平民化;而其自動生成和展現出的圖表,也絲毫不遜色於網路美工編輯的水準。正是這個特點奠定了廣泛的使用者基礎和高續訂率。

1988年,圖形學的首個圖靈獎誕生

這不是圖形學首次獲此殊榮。

1988年,在圖形學的歷史上,迎來了第一位圖靈獎獲得者Ivan Edward Sutherland,被人們尊稱為當代電腦輔助設計(CAD)之父。

Sutherland為電腦圖形學領域做出了開創性和前瞻性的貢獻。其中包括用於屏幕刷新的顯示文件、用於建模圖形對象的遞歸遍歷層次結構、用於幾何轉換的遞歸方法和面向對象的編程風格等。

Ivan Edward Sutherland

1963年,Sutherland發明了互動式圖形系統Sketchpad。1968年,Sutherland在其學生Bob Sproull的協助下,開發了被認為是第一個虛擬實境(VR)和擴增實境(AR)的HMD(Head Mounted Display)系統。

那麼電腦圖形學到底是什麼呢?

電腦圖形學,簡稱CG,是一種使用數學算法將2D或3D圖形轉化為電腦顯示器的柵格形式的科學。簡單地說,電腦圖形學的主要研究內容就是研究如何在電腦中表示圖形、以及利用電腦進行圖形的計算、處理和顯示的相關原理與算法。

電腦圖形學的核心目標在於創建有效的視覺交流。在科學領域,圖形學可以將科學成果透過可視化的方式展示給公眾;在娛樂領域,如在電腦遊戲、手機遊戲、3D電影與電影特效中,電腦圖形學發揮著越來越重要的作用。

更重要的是,電腦圖形學在幫助人腦從圖形圖像的角度理解事物本質的方面上有著的重要作用,因為圖形圖像比單純數字具有更強的洞察力。

瞭解了電腦圖形學之後,我們再來瞭解一下圖靈獎。

「電腦之父」--圖靈

說到圖靈獎,就不得不介紹一下有著「電腦之父」稱號的圖靈。

圖靈,生於1912年,是英國的數學家、邏輯學家。圖靈對於電腦科學有著不可磨滅的功勞,他最大的貢獻之一就是和團隊研製出了世界上「第一台」電腦。

在二戰期間,他被邀請從事破譯德國密碼系統「英格瑪」的工作,由於破譯過程涉及太多的可能性,是人類無法在短時間計算出的,因此圖靈和他的團隊共同研製出了這樣一台強大的「機器大腦」,最終成功破解密碼!幫助盟軍取得了二戰的勝利,甚至使得二戰足足提早兩年結束。

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圖靈在戰爭中流盡鮮血,卻在和平中寸步難行。二戰結束後,圖靈因同性戀傾向被英國政府定罪,要嘛進監獄、要嘛進行「激素治療」,圖靈選擇了後者。

1954年,圖靈在家中服毒自盡,享年41歲。直到2013年,在英國司法大臣克里斯‧格雷靈的要求下,英國女王伊莉莎白二世宣佈了對圖靈的赦免。同時,英國前首相卡麥隆表示:圖靈在二戰時破解德軍密碼、拯救國家上發揮了關鍵作用,是一個了不起的人。

關於圖靈在二戰期間破譯密碼、扭轉歷史這一傳奇經歷,推薦大家看一部名叫《模仿遊戲》的電影,片中圖靈由班奈狄克·康柏拜區飾演。

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為了紀念他對電腦科學做出的巨大貢獻,由美國電腦協會(ACM)於1966年設立了一年一度的圖靈獎(Turing Award),全稱「A.M. 圖靈獎」,以表彰在電腦科學中做出突出貢獻的人。

由於圖靈獎對獲獎條件要求極高,評獎程序極嚴,一般每年只獎勵一名電腦科學家,只有極少數年度有兩名合作者或在同一方向作出貢獻的科學家共享此獎。因此它是電腦界最負盛名、最崇高的一個獎項,有「電腦界的諾貝爾獎」之稱。

不僅是電腦科學,圖靈也為後來的人工智慧科學提供了開創性的構思。他提出了一種用於判定機器是否具有智慧的試驗方法,即著名的「圖靈測試」。

圖靈曾說過,「有時候,正是那些意想不到之人,成就了無人能成之事。」到今天,用這句話來形容此次獲獎的兩位大師依然貼切,我們也期待未來有更多用技術讓我們生活更美好的「意想不到之人」還有「無人能成之事」。

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