我們經(jīng)常在奧斯卡頒獎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的頒獎臺。

昨日，ACM（國際計算機協(xié)會）宣布，將 2019 圖靈獎榮譽授予兩位皮克斯聯(lián)合創(chuàng)始人、計算機圖形學專家 Patrick M. Hanrahan 和 Edwin E. Catmull。這也是繼 1988 年 IVAN SUTHERLAND 之后，圖形學第二次獲得圖靈獎。

Edwin E. Catmull 與 Patrick M. Hanrahan 均為皮克斯動畫工作室創(chuàng)始成員。Hanrahan 現(xiàn)為斯坦福大學計算機圖形學實驗室教授。Catmull 不僅參與創(chuàng)立了皮克斯，還曾擔任華特 · 迪士尼動漫工作室的總裁，目前已經(jīng)退休。

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據(jù) ACM 官方公告，Catmull 和 Hanrahan 的獲獎理由為：「他們在概念創(chuàng)新和軟硬件方面的貢獻，對計算機圖形學產(chǎn)生了根本性的影響。從 25 年前的《玩具總動員》至今，這種由計算機所繪制的全新故事影片為電影制作帶來了革命性的影響?！?/p>

圖靈獎是國際計算機協(xié)會（ACM）于 1966 年設(shè)立的獎項，專門獎勵對計算機事業(yè)作出重要貢獻的個人，有「計算機界諾貝爾獎」之稱，獎金為 100 萬美元，由谷歌贊助。圖靈獎的名稱取自英國數(shù)學家、計算機學先驅(qū)艾倫·圖靈（Alan M. Turing），他奠定了計算機的數(shù)學基礎(chǔ)和局限性理論。

這一次獲獎的 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 年度頒獎宴會上，正式接受獎項頒發(fā)和 100 萬美元獎金。

在如今全球價值 1380 億美元的電影行業(yè)之中，3D 計算機動畫影片是最受歡迎的類型。3D 計算機圖形學的發(fā)展，對當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，這些貢獻至今仍是 CGI 圖像開發(fā)中不可或缺的一部分。此外，他們在 GPU 方面的見解不僅在計算機圖形學方面具備影響力，同時也影響了數(shù)據(jù)中心管理和人工智能在內(nèi)的多個領(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的方式，同時也對更廣泛的娛樂產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了深遠的影響。我們特別高興大家能夠認可 Pat Hanrahan 和 Ed Catmull 做出的成就，計算機圖形學是 ACM 協(xié)會中最大且最具活力的研究領(lǐng)域之一。Hanrahan 和 Catmull 做出的貢獻表明，計算機某個專業(yè)領(lǐng)域的進展能夠?qū)︻I(lǐng)域內(nèi)其他學科產(chǎn)生深遠影響。例如，Hanrahan 在 GPU 著色語言方面的研究使得這些語言被用作更廣泛領(lǐng)域內(nèi)的通用計算引擎，包括我自己的高性能計算領(lǐng)域?！?/p>

谷歌高級研究員、Google AI 高級副總裁 Jeff Dean 表示：「當今，由于 3D 計算機圖形圖像無處不在，我們常常忘記該領(lǐng)域的發(fā)展情況如何，就像模擬兩個人打乒乓球的電子游戲 Pong 一樣，兩條線中間一個點在動，這也是尖端科技。技術(shù)雖然一直在進步，但不得不承認 Hanrahan 和 Catmull 數(shù)十年前的研究成果依然是現(xiàn)今該領(lǐng)域的標準慣例，這實在是太厲害了。非常重要的一點是，我們應(yīng)該認識到 CGI 技術(shù)的科學貢獻，并讓公眾了解這門技術(shù)會在未來幾年對 AR、VR、數(shù)據(jù)可視化、教育、醫(yī)學影像等諸多領(lǐng)域產(chǎn)生影響?！?/p>

3D 動畫電影的開山鼻祖

說到這兩位科學家的名字，大家未必覺得耳熟能詳，但你絕對看過他們前公司的「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)光魔公司的電腦動畫部，1986 年被喬布斯以 1000 美元收購，現(xiàn)在已經(jīng)成長為全球頂尖的動畫電影公司。

這個片頭你一定見過很多次。

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

而說到 3D 動畫電影背后的技術(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。他最初的動畫夢想來源于《彼得·潘》和《皮諾曹》等迪士尼電影，甚至曾經(jīng)自己制作過翻書動畫。

但出于現(xiàn)實條件的考量，他最終沒有選擇在電影界入行，而是利用自己在數(shù)學方面的天賦，進入猶他大學學習物理和計算機科學，畢業(yè)后曾在西雅圖波音公司短暫地擔任程序員。

自從 1970 年回到大學攻讀研究生開始，Catmull 就確立了「制作一部計算機動畫電影」的目標。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)來顯示曲面補丁，取代了多邊形，它們分別是：管理計算機圖形學中圖像深度坐標的 Z-buffering；將 2D 表面紋理映射在 3D 對象上的紋理映射（texture mapping）。Catmull 的技術(shù)在開發(fā)擬真圖形學以及消除「鋸齒狀圖形」方面發(fā)揮了重要作用。

在離開猶他大學之后，Catmull 成立了紐約理工學院（NYIT）計算機圖形實驗室，這是美國最早期的專門化計算機圖形實驗室之一。在那個時候，Catmull 就有著制作動畫電影的夢想。

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

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

與 Catmul 相比，Hanrahan 進入皮克斯的時間要稍晚一些。

Hanrahan 1985 年在威斯康星大學麥迪遜分校獲得生物物理學博士學位，隨后在 NYIT 計算機圖形實驗室有過一段工作經(jīng)歷。1986 年，Hanrahan 進入皮克斯擔任高級科學家，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的材料屬性和光照對彎曲的圖形進行渲染。該系統(tǒng)后來被命名為「RenderMan」，這一系統(tǒng)后來被應(yīng)用于《玩具總動員》、《哈利波特》、《星球大戰(zhàn)》等多部皮克斯動畫電影的渲染設(shè)計。

RenderMan 無疑是好萊塢工業(yè)中的標準工具。據(jù)統(tǒng)計，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。它主要幫助計算機生成電影中的視覺特效，從簡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）聘請了 Catmull，彼時動畫電影領(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圖形學向真實感圖像發(fā)展。

在 1986 年喬布斯收購盧卡斯營業(yè)并將其更名為皮克斯動畫工作室后，Catmull 繼續(xù)出任總裁職位，并推動了一部又一部經(jīng)典動畫電影的誕生，如玩具總動員系列、賽車總動員系列、海底總動員以及尋夢環(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 介紹了光場渲染。這種技術(shù)可以讓人產(chǎn)生一種飛過場景的感覺，它從任意點生成新的視角，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，當時的計算機硬件并沒有達到可以充分利用 Hanrahan 的 RenderMan 系統(tǒng)的水平，所以 5 年之后 3D 電腦動畫電影《玩具總動員》才問世。

1989 年，Hanrahan 離開皮克斯，之后在普林斯頓和斯坦福大學擔任教職。進入 1990 年代之后，Hanrahan 和他的學生擴展了 Renderman 著色語言，使得其可以在當時剛打入市場的 GPU 上實時運行。Hanrahan 和他的學生為 GPU 開發(fā)的編程語言帶動了商業(yè)版著色語言的開發(fā)（包括 OpenGL），從而徹底改變了電子游戲的程序編寫。

GPU 上著色語言的廣泛性和多樣性促使 GPU 硬件設(shè)計者開發(fā)了更加靈活的架構(gòu)。這些架構(gòu)使得 GPU 可用于各種計算環(huán)境，包括用于高性能計算應(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 和他的學生還發(fā)明了 Brook，這是一種用于 GPU 的語言，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)實驗室的數(shù)十名研究人員開發(fā)了包括圖像合成、運動模糊、布料模擬等多項基礎(chǔ)技術(shù)，而 Hanrahan 和 Catmull 二人也均以其技術(shù)貢獻獲得過 ACM SIGGRAPH 和美國電影藝術(shù)與科學院的獎項。