图灵奖公布!计算机图形学先驱Hanrahan和Catmull获奖,祝贺两位好莱坞3D动画大片技术元老

作者: 学术君

来源: ACM

发布日期: 2020-03-18

ACM宣布授予Patrick M. Hanrahan和Edwin E. Catmull 2019年ACM A.M.图灵奖荣誉,以表彰他们对3D计算机图形学的贡献,这些技术对电影制作和计算机生成图像(CGI)等应用产生了革命性影响。两位获奖者通过概念创新及对软件和硬件的贡献,从根本上影响了计算机图形学领域,并对电影制作产生了深远影响。他们的技术不仅推动了3D动画电影的发展,还对视频游戏、虚拟现实和增强现实等领域产生了重要影响。

ACM(国际计算机协会)今天宣布,授予Patrick M. Hanrahan和Edwin E. Catmull 2019年ACM A.M.图灵奖荣誉,以表彰他们对3D计算机图形学的贡献,以及这些技术对电影制作和计算机生成图像(CGI)等应用的革命性影响。

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

Ed Catmull和Pat Hanrahan通过概念创新以及对软件和硬件的贡献,从根本上影响了计算机图形学领域。他们的作品对电影制作产生了革命性的影响,从25年前的《玩具总动员》开始,一直延续到今天,形成了一种全新的电脑动画电影类型,并为当今3D动画电影铺平了道路。

如今,在全球1380亿美元的电影产业中,3D电脑动画电影是一种非常受欢迎的类型。3D计算机图像对于蓬勃发展的视频游戏行业以及新兴的虚拟现实和增强现实领域也至关重要。

Catmull和Hanrahan在技术上做出了开创性的贡献,这些贡献对于当今CGI图像的发展仍是不可或缺的一部分。此外,他们对编程图形处理单元(GPUs)的见解不仅影响了计算机图形学,还影响了包括数据中心管理和人工智能在内的各个领域。

ACM同时宣布,2020年6月20日星期六在加利福尼亚州旧金山举行的ACM年度颁奖宴会上,将正式为Hanrahan和Catmull颁发奖项,两位获奖者也将共同获得100万美元奖金。

ACM主席Cherri M. Pancake说:“CGI改变了电影的制作和体验方式,同时也深刻影响了更广泛的娱乐行业。我们非常高兴认识到Pat Hanrahan和Ed Catmull,因为计算机图形学是ACM中最大和最活跃的社区之一。”

谷歌高级研究员、谷歌人工智能高级副总裁Jeff Dean表示:“由于3D计算机图形技术现在已经非常普及,我们常常忘记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,至今仍是该领域的标准。”

清华大学计算机系教授唐杰对此表示:“Pat Hanrahan在3D建模和图像渲染方面的工作非常杰出,这是让计算机能够可视化的表示图形,让人和计算机可以图形化的交互,应用范围及其广泛,包括:计算机成像、三维动画,甚至网络影像传播也属于这个方向的范畴。这也是Hanrahan成为好几家公司首席科学家的原因。”

Catmull于1974年在犹他大学获得计算机科学博士学位。在他的博士学位论文中,Catmull引入两种突破性的技术来显示曲面补丁而不是多边形:用于管理计算机图形学中图像深度坐标的Z缓冲(Z-buffering);以及将二维表面纹理映射在三维对象上的纹理映射(texture mapping)。

在犹他大学期间,Catmull还创建了一种通过指定一个粗糙多边形网格来表示一个平滑曲面的新方法。Catmull的技术在发展真实感图形和消除“锯齿”(原始计算机图形学的一个特征,图形周围的粗糙边缘)方面发挥了重要作用。

离开犹他大学后,Catmull成立了纽约理工学院(NYIT)计算机图形实验室,这是美国最早的专用计算机图形实验室之一。在那个时候,Catmull就梦想着制作一部计算机动画电影。1979年,《星球大战》的导演George Lucas聘请了Catmull,使得他离自己的动画电影梦又近了一步。

在Lucas电影公司(LucasFilm),Catmull及其同事继续开发3D计算机图形动画的创新技术,而当时这个行业仍然被传统的2D技术所主导。1986年,史蒂夫·乔布斯(Steve Jobs)收购了卢卡斯电影公司(LucasFilm)的计算机动画部门,并将其更名为皮克斯,Catmull担任总裁。而Pat Hanrahan就是Catmull执掌皮克斯动画工作室的第一批员工。

Hanrahan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,加入皮克斯动画工作室之前,还曾在NYIT的计算机图形学实验室短暂工作过。在皮克斯动画工作室期间,Hanrahan是一种新型图形系统的首席架构师,该技术可以使用真实的材料属性和光线来渲染曲线形状。此系统(后来称为RenderMan)的一个关键思想是着色器(用于着色CGI图像)。

RenderMan的功能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。RenderMan系统还结合了Catmull早前在该领域做出的贡献的Z缓冲和细分曲面创新。在皮克斯工作期间,Hanrahan还开发了体绘图(volume rendering)技术,该技术使CGI艺术家可以渲染3D数据集的2D投影,例如抽烟。

在Hanrahan最常被引用的论文中,Hanrahan与合著者Marc Levoy一起介绍了一种光场渲染技术,这种方法可通过从任意点生成新视图而没有深度信息或特征匹配,从而使观看者感觉它们正在穿越场景。Hanrahan还开发了使用次表面散射来描绘皮肤和头发的技术,并使用蒙特卡洛射线追踪技术来渲染复杂的照明效果(所谓的全局照明或GI)。

1990年,Hanrahan在一篇开创性论文中发表了他的RenderMan研究。此时,距离计算机硬件发展到可以使用Hanrahan的RenderMan系统制作完整的3D计算机动画电影《玩具总动员》,还有五年的时间。在Catmull的领导下,皮克斯使用RenderMan技术制作了一系列成功的电影。

皮克斯还将RenderMan授权给其他电影公司,在过去47部获得奥斯卡最佳视觉效果提名的电影中,有44部使用了该软件,其中包括《阿凡达》、《泰坦尼克号》、《美女与野兽》、《指环王》三部曲以及《星球大战前传》等。1989年,Hanrahan在离开皮克斯之后进入普林斯顿大学和斯坦福大学担任学术职务。

从20世纪90年代开始,他和他的研究团队扩展了RenderMan着色语言,使其可以在更强大的GPU上实时工作。Hanrahan和他的学生开发的GPUs编程语言,也引起了商业版本(包括OpenGL着色语言)的开发,并彻底改变了视频游戏的编写。GPUs上广泛使用的各种着色语言,最终要求GPUs硬件设计人员开发更灵活的体系结构。

这些架构又反过来使GPUs可以用于各种计算环境,包括为高性能计算应用程序运行算法,以及为人工智能应用程序在海量数据集上训练机器学习算法。特别一提的是,Hanrahan和他的学生还开发了一种用于GPU的语言:Brook,并最终催生了NVIDIA的CUDA。Catmull在皮克斯呆了30多年,皮克斯后来也成为迪斯尼动画工作室的子公司。

在他的领导下,实验室的数十名研究人员发明并发布了对计算机动画电影和计算机图形产生重大贡献的基础技术,包括图像合成(image compositing)、运动模糊(motion blur)、布料模拟(cloth simulation)等。玩具总动员、海底总动员、超人总动员、赛车总动员、机器人总动员、飞屋环游记、寻梦环游记、怪兽大学、头脑特工队等耳熟能详的动画电影,均出自皮克斯动画工作室。

Hanrahan和Catmull也因其技术贡献,而获得ACM SIGGRAPH以及美国电影艺术与科学学院奖项及荣誉。图灵奖(Turing Award),由ACM于1966年设立,全称ACM A.M.图灵奖,专门奖励那些对计算机事业作出重要贡献的个人。图灵奖名称取自计算机科学先驱、英国科学家艾伦·麦席森·图灵(Alan M. Turing),这个奖设立目的之一正是为了纪念这位伟大的科学家。

图灵奖对获奖者要求极高,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在同一方向上做出贡献的科学家同时获奖。因此,图灵奖也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。每一年的图灵奖一般在下一年的3月颁发,从1966年至2019年共有73名科学家获此殊荣。其中美国学者最多,此外还有英国、瑞士、荷兰、以色列等国少数学者。

截至目前,获此殊荣的华人学者仅有1位,即2000年图灵奖得主姚期智。历年图灵奖获得者据统计,截止2019年3月,美国斯坦福大学图灵奖人数(校友或教职工)位列世界第一(27位)、美国麻省理工学院(26位)位列世界第二、美国加州大学伯克利分校(25位)位列世界第三;哈佛大学世界第四(14位);卡耐基梅隆大学(13位)和普林斯顿大学(13位)并列第五名。

70多名得主分布在几十个小领域,排在前六的领域有:编译原理、程序设计语言,计算复杂性理论,人工智能,密码学,以及数据库。计算机之父:图灵艾伦·麦席森·图灵(Alan Mathison Turing,1912年6月23日-1954年6月7日),英国数学家、逻辑学家,被称为计算机之父,人工智能之父。1931年,图灵进入剑桥大学国王学院,毕业后到美国普林斯顿大学攻读博士学位。

二战爆发后,图灵回到剑桥,后曾协助军方破解德国的著名密码系统Enigma,帮助盟军取得了二战的胜利。图灵提出的著名的图灵机模型,为现代计算机的逻辑工作方式奠定了基础。此外,图灵对于人工智能的发展有诸多贡献,提出了一种用于判定机器是否具有智能的试验方法,即图灵测试。至今,每年都有图灵测试的比赛。但不幸的是,二战结束后,图灵因同性恋倾向在当时的英国遭受歧视,被政府定罪,被迫接受“治疗”,职业生涯结束。

1954年6月7日,图灵被发现死于家中的床上,床头放着一个被咬了一口的苹果,其中含有氰化物,警方调查后结论为服毒自杀。直到2013年12月24日,英国司法部长宣布:图灵当时受到的判决“不公,有歧视”,现已获得女王伊丽莎白二世的赦免,称“女王的赦免是对这位优秀人物的献礼”。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”。

图灵及电影中图灵扮演者本尼迪克特·康伯巴奇2014年,改编自安德鲁·霍奇斯编著传记《艾伦·图灵传》,由本尼迪克特·康伯巴奇主演的传记电影《模仿游戏》(The Imitation Game)上映,讲述了“计算机科学之父”艾伦·图灵的传奇人生。该片也一举获得第87届奥斯卡金像奖最佳改编剧本奖,以及包括最佳影片、最佳导演、最佳男主角、最佳女配角在内的7项提名。

得益于《模仿游戏》的上映,图灵的故事才得以更加广人所知,影片中的图灵偏执、木讷、骄傲,他的天才令人着迷,他的悲剧让人叹息。更重要的是,图灵这个名字,开启了许多人的计算机梦想。

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