2019年圖靈獎得主在3D電腦繪圖領域寫下關鍵里程碑,如早年的Z緩衝器、RenderMan渲染系統,以及GPU程式語言Brook。

美國電腦協會(ACM)日前宣布2019年圖靈獎得主,分別是史丹佛大學電腦繪圖實驗室教授Patrick M. Hanrahan,以及皮克斯和迪士尼動畫工作室前總裁Edwin E. Catmull。他們深耕3D電腦繪圖30多年,期間的研究心血如Z緩衝器、RenderMan渲染系統、GPU程式語言Brook等,都是造就《玩具總動員》、《侏儸紀公園》、《魔戒》、《阿凡達》等精彩電影的關鍵技術。

圖靈獎素有電腦界奧斯卡獎之稱,自1966年開辦以來,每年都會選出對電腦領域貢獻傑出的電腦科學家,像是發明全球資訊網www的Tim Berners-Lee、卷積網路CNN之父Yann LeCun等。

繼去年聚焦於深度學習,今年,圖靈獎鎖定3D電腦繪圖,點出Hanrahan和Catmull兩人在3D電腦繪圖領域的成就,為電腦成像(CGI)帶來革命性突破,不只催生25年前第一部動畫電影《玩具總動員》,也讓逼真的電影特效、遊戲畫面和VR成為可能。

一篇論文催生2種新技術

其中的故事,可從1970年代說起。1974年,Catmull取得猶他大學電腦科學博士學位,他在畢業論文中,提出了突破性的電腦繪圖技術,可以彎曲的補丁來取代多邊形補丁,消除電腦繪圖中的鋸齒粗糙感。這個技術包括了Z緩衝器(Z buffer),可用來決定電腦繪圖中的影像深度座標,再用這些座標來決定物體該顯示的部分。

他還提出另一個關鍵技術,也就是紋理映射(Texture mapping),可將2D表面紋理,包覆於3D物體上,讓電腦產生的圖像,看起來更加逼真。

離開學校後,他成立了紐約理工學院電腦繪圖實驗室,隨後也加入影業公司LucasFilm,繼續進行3D電腦繪圖研究。1986年,賈伯斯買下了LucasFilm的電腦動畫部門,並改名為皮克斯(Pixar),由Catmull擔任總裁,帶領團隊研發新技術。

一套關鍵系統,成為數十年動畫電影標準配備

就在這一年,Hanrahan加入了皮克斯,不僅是Catmull第一批雇用的職員,更擔任當時新繪圖系統的首席架構師。這套系統是RenderMan的雛形,可利用真實的材料和照明,來渲染彎曲的形體;其中的關鍵,就是用於CGI影像的著色器(Shaders)。

與此同時,Hanrahan也研發不同技術,像是立體渲染(Volume rendering),能將平面投影堆疊為3D立體圖形,這也是醫療MRI和電腦斷層掃描(CT)後來運用的技術。此外,他也發表了光場渲染(Light field rendering),這個方法讓觀眾覺得自己正穿越不同場景。

1990年,他在美國電腦協會的圖像技術研討會SIGGRAPH上,發表了重磅RenderMan論文。RenderMan可分離光線反射和幾何形體,能計算形體上各點的顏色、透明度和紋理。此外,RenderMan也融合了Catmull早年研發的技術,比如Z緩衝器等。

自此,RenderMan成為CGI視覺效果的標準工作流程,也是第一個獲得奧斯卡科技成就獎的軟體。過去獲得奧斯卡金像獎提名的47部電影中,有44部使用RenderMan,像是《鐵達尼號》、《魔戒》、《阿凡達》、《美女與野獸》和《星際大戰》等。

精益求精,開發GPU專用語言更催生Nvidia CUDA

後來,Hanrahan離開業界,轉至普林斯頓大學和史丹佛大學任教。1990年代,他與學生擴展了RenderMan的著色語言,能即時利用GPU資源來實作電腦繪圖任務。

不只如此,他與學生開發的GPU程式語言,也造就商業版語言的出現,徹底顛覆遊戲電玩的程式撰寫方式。而他與學生開發的GPU語言Brook,也間接催生了Nvidia的平行運算架構和模型CUDA。

除了任教,Hanrahan也是資料視覺化企業Tableau的共同創辦人。而Catmull則持續於皮克斯任職,期間,迪士尼動畫工作室收購皮克斯,Catmull也繼續帶領團隊研發新技術,像是影像合成、動態模糊、布料模擬。文◎王若樸

 
 
 
 


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