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2019图灵奖出炉,两位皮克斯元老为什么能获得计算机行业“诺贝尔奖”?

摘要: 计算机图形学专家帕特里克·汉拉汉和艾德文·卡特姆荣获2019图灵奖,这两人的工作改变了电影,视频游戏,虚拟现实等领域的技术发展。

图灵奖获得者:帕特里克·汉拉汉(右)和艾德文·卡特姆(左)

图灵奖获得者:帕特里克·汉拉汉(右)和艾德文·卡特姆(左)

北京时间3月18日晚,ACM(国际计算机协会)正式宣布,将2019图灵奖荣誉授予皮克斯(Pixar)联合创始人、计算机图形学专家帕特里克·汉拉汉(Patrick M. Hanrahan)和艾德文·卡特姆(Edwin E. Catmull)。因其在 3D(三维计算机)图形学方面做出重要贡献,以及这些技术对电影制作和计算机生成图像(computer-generated imagery,CGI)等应用的革命性影响而获此殊荣。

这也是继1988年图灵奖得主,计算机辅助设计之父伊万·萨瑟兰(Ivan Sutherland)之后,第二次有图形学领域学者荣获此奖项。

计算机行业的“诺贝尔奖”:图灵奖

图灵奖,又译杜林奖,是国际计算机协会(ACM)于1966年设立的奖项,专门奖励对计算机事业做出重要贡献的个人,是计算机界最负盛名的奖项,有“计算机界诺贝尔奖”之称。该奖项名称取自英国科学家、曼徹斯特大学教授艾伦·图灵(A.M. Turing),他奠定了计算机的数学基础和局限性理论。

图灵奖对获奖者的要求极高,评奖程序也极严,一般每年只奖励一名计算机科学家,该获奖者必须是在计算机领域具有持久而重大的先进性的技术贡献,并且大多数获奖者是计算机领域的科学家。

今年有些意外,是由两位获奖者共获此殊荣,他们将在今年6月20日于旧金山举行的ACM年度颁奖典礼上正式接受奖项颁发。此外,两位获奖者还会获得100万美元的奖金,由谷歌赞助。

ACM方面表示,汉拉汉和卡特姆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。他们在电脑图像成像方面的工作,不仅改变了动画电影,还加快了好莱坞特效,视频游戏和虚拟现实领域的技术发展。

ACM下的系统基础架构小组Google研究员,谷歌AI高级副总裁杰夫·迪恩(Jeff Dean)表示,两位获奖者几十年前开发的技术至今仍在应用,这令人印象深刻。重要的是,在这两位学者的不懈努力下,CGI 技术将在未来几年影响很多领域,包括虚拟和增强现实、数据可视化、教育、医学成像等,这是非常重要的。

“我有一个3D图像的电影梦”

1945年,艾德文·卡特姆出生在美国西维州西北部的帕克斯堡,后移居犹他州。

早年间,受到《彼得·潘》和《木偶奇遇记》等迪士尼动画电影的吸引,卡特姆开始梦想成为一个动画师,他甚至学会了使用手翻书制作动画。

不过,没有绘画基础的卡特姆在念书的过程中,卡特姆发现自己更擅长别的东西——比如数字、比如计算机。因此,他并未在着急在电影行业中谋求职位,而是进入犹他大学,发挥自己的数学才能、研究物理和计算机科学。毕业后,卡特姆在西雅图波音公司当了一段时间的程序员,并于1970年秋天回到犹他大学读研究生。

在犹他大学攻读研究生期间,卡特姆遇到了他的导师——“计算机图形学之父”伊万·萨瑟兰。

伊万·萨瑟兰是1988年图灵奖的获得者,他曾成功开发了著名的Sketchpad系统。

Sketchpad系统是一个交互式图形系统,利用它,设计者可以与计算机进行对话,并且能在屏幕上直接进行图形设计和修改。不少教科书认为,这一系统的出现,标志着CAD技术的诞生。伊万·萨瑟兰还被誉为是“VR之父”,他在1968年的时候就与同事制作出了世界第第一台虚拟现实装备——达摩克里斯之剑(The Sword of Damocles),双目镜的设计可以说是现代所有头显的鼻祖。

在伊万·萨瑟兰的带领下,卡特姆打开了一扇“计算机与图像融合”的新的大门。通过SketchPad系统,卡特马尔意识到,新兴的计算机图形学将成为动画行业的基础,而这刚好结合了他的爱好——技术和动画。卡特马尔决心投身于这一行,他一直梦想着可以制作出世界第一部全动画电影。

在伊万·萨瑟兰的带领下,卡特姆所在的研究团队对1967年大众甲壳虫(Volkswagen Beetle)进行了3D建模,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。他们通过多边形映射到实际的实际甲壳虫的表面上,然后测量每条线,并将数据输入计算机程序,从而生成世界上第一个汽车的3D线框模型。

1972年,卡特姆曾经以自己的手为参照物,在计算机中创建了一个模型,能够用来模拟各种动作,这是电脑动画制作的雏形,对皮克斯后期的创作起到了奠基性的作用。

1974年,卡特姆研究生毕业后来到了Applicon公司工作。同年11月,纽约理工学院(NYIT)创始人Alexander Schure联系到他,希望让他担任学院新成立的计算机图形学实验室的主管,这是美国最早期的专门化计算机图形实验室之一。在新的职位上,卡特姆组建了一个极富才华的二维动画研究小组,并集中精力於协助动画师的工具。

在纽约理工学院担任计算机图形学实验室主管期间,卡特姆带领实验室团队写了多款应用程序,包括名为Paint的绘图程序、动画软件SoftCel和其他软件。其中,Paint可以视为迪士尼公司的计算机动画生产系统——商业动画程序Tween的早期版本。

不过,卡特姆不甘心做二维动画与应用程序开发,他一直希望完成梦想,用三维技术来做动画电影。

1979年,由于《星球大战》电影大获成功,卢卡斯影业(LucasFilm)成立了电脑绘图部,乔治·卢卡斯(George Lucas)找到了卡特姆,希望他前往加利福尼亚加入卢卡斯影业负责这一部门的技术相关工作。因此,自此开始,卡特姆便在卢卡斯公司电脑图形部担任副总裁。

但彼时,动画电影领域还是以传统 2D 技术为主导,不过,卡特姆一直认为以计算机为主导的3D图形才是未来。

在卢卡斯影业工作期间,卡特姆协助开发了数字图像合成技术,包括RenderMan渲染系统等,该系统应用于《玩具总动员》和《寻找尼莫》等影片中。

1986年,苹果联合创始人史蒂夫·乔布斯宣布以1000万美元买下了卡特姆所在的卢卡斯影业电脑图形部,正式成为独立制片公司——皮克斯(Pixar)公司。

埃德•卡特姆曾回忆道:记得那是25年前的2月份,皮克斯成立的当天。乔布斯曾将我和阿尔维拉到一边,用双臂将我们搂住,说:“以后的路还长,我真心请求你们答应我一件事,无论未来如何,我们都要彼此肝胆相照。”

年轻的埃德·卡特姆(左)、乔布斯(中)与约翰·拉塞特(右)

年轻的艾德文·卡特姆(左)、乔布斯(中)与约翰·拉塞特(右)。

彼时,乔布斯担任该公司董事长职务,卡特姆担任公司首席技术官。2001年,卡特姆出任皮克斯总裁职位,并推动了一部又一部经典动画电影的诞生,如玩具总动员系列、赛车总动员系列、海底总动员以及寻梦环游记、飞屋环游记等等。

而利用RenderMan渲染系统,动画师制作的3D屏幕效果才能更加逼真。最近21个奥斯卡得奖电影中,19个是运用了该软件进行制作,包括《泰坦尼克号》、《指环王》以及《阿凡达》等等。

2006年,皮克斯被沃尔特·迪斯尼公司(Walt Disney Company)以70亿美元的价格收购,此后卡特姆正在领导该公司的动画部门,直到去年退休。除了技术贡献,卡特姆还为工作室创造了独特的企业文化,他把硅谷、好莱坞和漫画制作室3种迥然不同的工作风格巧妙地糅合在一起,使工作人员尽情发挥个人能力,同时鼓励相互交流及紧密合作。卡特马尔没有架子,善于听取下属意见,每当遇到问题,他会和下属一起讨论,找出解决方法,而在工作繁忙的时候,他也经常和工作人员一起熬夜。因此卡特姆很受下属爱戴。

2008年,卡特姆获得奥斯卡戈登·E·索耶奖(奥斯卡奖的特别奖之一,在1981年新增设置的的一项电影技术荣誉奖),以表彰他在电脑图形学上的杰出成就对电影行业所作出了重要贡献。

在皮克斯的30多年间,卡特姆领导的科研团队,开发了包括图像合成、运动模糊、布料模拟等多项基础技术。

技术改变好莱坞

与卡特姆相比,汉拉汉其进入皮克斯的时间也要稍晚一些。

汉拉汉在威斯康星州格林贝长大,并于1985年获得了威斯康星大学麦迪逊分校的生物物理学博士学位,随后在NYIT的计算机图形学实验室短暂工作过。1986 年,汉拉汉进入皮克斯担任高级科学家,是卡特姆在皮克斯招募的第一批员工之一。

在皮克斯就职期间,汉拉汉领导团队一起开发了新的RenderMan图形系统,这可以让制作者利用真实的材料属性和光照对弯曲的图形进行渲染,生成具有逼真的图像效果。该系统后来被应用于《玩具总动员》等多部皮克斯动画电影的渲染设计中,还将其许可给了其他公司。

这一技术借鉴了卡特姆在其博士学位期间发明的一些技术,包括细分表面等,这些细分表面通过将多边形网格划分为连续较小的块,来表示弯曲的对象。而汉拉汉团队在此基础上,添加了诸如着色语言(用于着色CGI图像)之类的重要技术,使渲染效果更逼真,更简单。

目前,该系统已成为好莱坞的标准工具,并在获得视觉效果奥斯卡金像奖提名的47部电影中的44部中使用,它主要帮助计算机生成电影中的视觉特效,从简单的塑料玩具表面纹理到更复杂的物理现象,如皮毛和水花等。

此外,汉拉汉还开发了立体渲染技术(olume rendering),该技术可以让 CGI 绘图者可以渲染3D数据集(例如一团烟雾)的2D投影。

在其1996年的一篇论文中,汉拉汉介绍了光场渲染技术的详细内容。这种技术可通过从任意点生成新的视角,无需借用深度信息或特征匹配,使人产生一种飞过场景的感觉。

1989 年,汉拉汉离开皮克斯,之后在普林斯顿大学和斯坦福大学担任教职。2003年,汉拉汉作为首席科学家职位,与人共同创立了Tableau Software公司。

近些年汉拉汉和他的学生为GPU开发的编程语言带动了商业版着色语言的开发(包括 OpenGL),希望改变了电子游戏的程序编写方式。GPU上着色语言的广泛性和多样性会促使GPU硬件设计者开发更加灵活的架构,发挥算力与算法作用。GPU上着色语言在虚拟现实和人工智能技术的设计中发挥了至关重要的作用,其中包括支持自动驾驶汽车,面部识别服务和Alexa语音技术等。

多项关于3D图像学的新技术,让卡特姆和汉拉汉获得业内人士的关注,除了图灵奖,二人也获得了 ACM SIGGRAPH 和美国电影艺术与科学院的奖项。正如《机器人制造者:乔治·卢卡斯与数字革命》的作者迈克尔·鲁宾所说,没有人像他们(卡特姆和汉拉汉)那样对计算机图形学产生如此深刻而广泛的影响。

(钛媒体编辑林志佳综合整理)

参考来源:

http://www.huaxia.com/zk/tx/00125046.html

https://www.acm.org/media-center/2020/march/turing-award-2019

https://www.wired.com/story/pixar-pioneers-win-computing-industrys-nobel-prize/

https://www.nytimes.com/2020/03/18/technology/pixar-pioneers-win-1-million-turing-award.html

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林志佳
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