计算机CGI技术是怎样影响着娱乐行业的方方面面

这两位把最好年华献给电影行业的计算机科学家，不仅为今天的好莱坞电影特效技术奠定了基础，还彻底改变了游戏、虚拟现实和人工智能行业。

CGI技术的先行者获奖

2019 年，全球电影行业产值达到 1380亿美元，全球游戏市场实现 1521 亿美元，3D 计算机生成图像技术在其中不可或缺。

而在未来，虚拟现实、增强现实、数据可视化、教育、医学图像等任何一个同视觉相关的领域，CGI 技术都有着重要功能和意义。

1995 年前横空出世的《玩具总动员》，背后是艾德文·卡特姆和帕特里克·汉拉汗等科学家研究耕耘了二十多年的 CGI 技术。

而《玩具总动员》诞生后的二十五年，CGI技术的应用深刻地影响到了娱乐行业的方方面面，这种影响也将肉眼可见地继续持续着。

今年3月18日，国际计算机协会公布了2019年图灵奖的获奖人，分别是计算机科学家、皮克斯动画工作室联合创始人艾德文·卡特姆，以及来自斯坦福大学计算机图形学实验室教授帕特里克·汉拉汗。

前者现在是迪士尼动画退休总裁，后者是斯坦福图形学教授。

因二人在 3D 计算机图形学的奠定性贡献，以及延伸出的 CG 成像技术在电影制作和其他领域的革命性影响，将图灵奖授予二人。

论文中的两种技术奠定雏形

卡特姆在他的博士论文中用了两种开创性的技术来显示曲面而不是用多边形：z 缓冲和纹理映射，前者处理图像深度坐标，后者处理二维表面在三维对象上的纹理映射。

Z 缓冲算法也叫深度缓冲器算法，属于图像空间消隐算法，该算法有帧缓冲器和深度缓冲器。

假定xoy面为投影面，z轴为观察方向，过屏幕上任意像素点（x，y） 作平行于 z 轴的射线 R，与物体表面相交于p1和p2点，p1和p2 点的z值称为该点的深度值。

z－buffer算法比较p和p2的z值，将最大的z值存入z缓冲器中，显然p1在p2前面，屏幕上（x，y）这一点将显示 p1 点的颜色。

算法思想：先将 Z 缓冲器中各单元的初始值置为最小值。当要改变某个像素的颜色值时，首先检查当前多边形的深度值是否大于该像素原来的深度值（保存在该像素所对应的Z缓冲器的单元中）。

如果大于原来的z值，说明当前多边形更靠近观察点，用它的颜色替换像素原来的颜色。

推动RenderMan图形系统影响电影产业

70 年代初，师从计算机图形学的创始人之一伊万·萨瑟兰、在犹他大学获得计算机博士学位的艾德文·卡特姆因他的计算机图形学研究成果，受邀加入卢卡斯影业。

1972年卡特姆应用自己的技术创作出一部名为“计算机动画之手”的短片，这是最早的计算机动画作品之一。

1986年史蒂夫·乔布斯 收购了卢卡斯影业计算机动画部门，更名为皮克斯，他选择 卡特姆 担当动画公司的总裁。

这时，旧金山威斯康星大学麦迪逊分校年轻的生物物理学学生帕特里克· 汉拉汗决定放弃昆虫研究，入职皮克斯，与卡特姆搭档推动计算机图形学的发展。

汉拉汗在卡特姆和其他同事十多年工作的基础上，开发出了一个叫RenderMan的图形系统，汉拉汗 担任开发团队的首席架构师。

RenderMan用真实的材质和光影来渲染曲线形状，电影制作人可以把图像与真实场景自然融合，产生逼真的动画效果。

简单地说，RenderMan就是一个计算机图像渲染体系，它支持复杂的灯光和着色器，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，同时，RenderMan系统结合了卡特姆提出的Z缓冲和细分曲面创新。

多项技术傍身，这使得通过RenderMan生成的数字图像比之前的任何图像都要更真实。

2001年，RenderMan 成为第一个赢得奥斯卡奖的软件。而在最近获得奥斯卡金像奖提名的47部电影中，有44部使用了皮克斯的 RenderMan ；其中就包括了《阿凡达》，《泰坦尼克号》，《指环王》三部曲和《星球大战》系列。

汉拉汗和卡特姆 二人组让计算机科学技术与娱乐产业的创造力结合在一起，创造出一个又一个视觉奇观。

同时，RenderMan 图形系统还授权给了其他公司，《侏罗纪公园》、《终结者 2》、《异形 3》、《阿甘正传》等著名电影，许许多多经典电影的特效都是基于该系统制作而成。

詹姆斯·卡梅隆的两部卖座大片《泰坦尼克号》和《阿凡达》使用的都是RenderMan，RenderMan成为CG领域重要的3D渲染软件，曾两度获得奥斯卡科学技术奖。

在RenderMan之外，汉拉汗还开发出了体积渲染技术、广场渲染概念，完善了表面下散射渲染皮肤和头发、全局照明、GPU 编程语言等技术。

并基于 Edwin Catmull 研究基础，他带领团队开发了具有跨时代意义的特效渲染标准——RenderMan，用于三维模型并渲染成数字图像，通俗点说 RenderMan 是电影特效工业中最经典的渲染器。

开发GPU语言编译器＋数据科学软件后劲强悍

特别值得一提的，就是汉拉汗和他学生共同开发的GPU语言“Brook”。Brook是一种流编程语言的编译器，可以将类似C这样的语言通过编译器编译为CG代码，隐藏了利用图形学API实现的细节，可以说是大大简化了开发过程。

而这些着色语言和GPU，就像作用力和反作用力。这些架构的发展反过来让GPU在各种计算环境下使用，包括运行高性能和机器学习算法。Brook后来就催生了英伟达的CUDA。

就是数据科学和可视化工作中经常会用到的软件“Tableau”也在随后被开发出来，它将数据运算与美观的图表完美地嫁接在一起，而且非常容易上手，将大量数据拖放到数字“画布”上，转眼间就能创建好各种图表。

影响力也是十足，全球超过42000家客户通过使用Tableau快速生成所需结果，可以说是遍及各个行业的各类规模企业。

或许正因如此，CRM巨头Salesforce以157亿美元高价收购Tableau，这是Salesforce成立20年历史上最大的交易，让汉拉汗成为了亿万富翁。

结尾：

如今，名利双收的汉拉汗，据说只将20％的时间花在了公司上，重心还在斯坦福大学，依旧致力于计算机图形学的发展，不变的或许是他的那份初衷：“我认为我们可以把抽象概念、数学和算法转换成图像的想法，这是世界上最酷的事情。”
责任编辑：wv