编辑： 张佳、白峰、鹏飞

来源：acm

去年，图灵奖颁给了熬过寒冬的人；今年，图灵奖颁给了点亮创意之光的人。斯坦福大学计算机图形学实验室教授Patrick Hanrahan和计算机科学家、皮克斯动画工作室联合创始人Edwin Catmull斩获图灵奖！他们的工作对电影制作产生了革命性的影响，并为当今 3D 动画电影铺平了道路，一起来了解好莱坞大片背后的这两个男人。

2019年图灵奖公布！

斯坦福大学计算机图形学实验室教授Patrick Hanrahan和计算机科学家、皮克斯动画工作室联合创始人Edwin Catmull获得了这一计算机领域最高荣誉！二人均为Pixar（皮克斯）的创始成员。

▲Pat Hanrahan

▲Ed Catmull

图灵奖授予Hanrahan和Catmull是为了表彰他们对 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。这也意味着图形学第二次获图灵奖，首位是1988年图灵奖获得者Ivan Sutherland。

二人将分享100万美元的奖金，他们将在2020年6月20日在加利福尼亚州旧金山举行的ACM年度颁奖宴会上正式获得2019 ACM AM图灵奖。

Catmull：和乔布斯共事26年为CG界带来革命

去年，图灵奖颁给了熬过寒冬的人。今年，图灵奖颁给了点亮创意之光的人。

恐怕很多做AI的同行不是很了解Hanrahan和Catmull这两位CG界的泰斗，但你一定看过《阿凡达》。

《阿凡达》中40%的画面由真实场景拍摄，60%完全由电脑动画生成，拍摄立体画面使用的全新3D Fusion Camera系统也耗费了大量的成本。每帧画面平均耗费4万个人工小时，所以，在影片结束时，那缓缓升起的巨型演职员表里，我们可以看到一共有48家公司，1858位工作人员。

《阿凡达》是有史以来最复杂的一次电影制作，卡梅隆说，“我们要做的CG角色不止一个，而是几百个，都要有照片般的真实感。而这种真实感就来自Catmull的创新技术。

Edwin E. Catmull教授从小就创造力旺盛，3D立体思维能力超群。既喜欢在课堂上画画，也喜欢修理汽车。曾经在一次采访中谈到自己的家庭时，自称是家中的“Black Sheep”。

然而这位所谓的“差生”，是犹他大学物理学和计算机科学理学学士、计算机科学博士，ACM和视觉效果学会（Visual Effect Society）成员，也是美国电影艺术与科学学院和美国国家工程院双院士。

他师从计算机图形学之父、1988年图灵奖获得者Ivan Sutherland，创办了纽约理工学院（NYIT）的计算机图形学实验室，和星球大战导演乔治卢卡斯共同创建了Pixar，并担任过沃尔特·迪斯尼动画工作室（Walt Disney Animation Studios）总裁。

在获得图灵奖之前，Catmull教授曾获1993年ACM SIGGRAPH Steven A. Coons计算机图形学杰出创意贡献奖，2006年IEEE John von Neumann奖章等。

Catmull 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 p1 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。

在犹他求学期间，Catmull 还创建了一种通过粗糙多边形网格来表示光滑曲面的方法。毕业后，他与 Jim Clark 合作，后者在 Catmull-Clark 细分曲面基础上创建了 Silicon Graphics 和 Netscape，该曲面现已成为动画和电影特效中使用的最出色的曲面补丁。Catmull 的技术在开发逼真图形技术，消除“锯齿”（形状周围的粗糙边缘）方面起着重要作用，而锯齿是原始计算机图形的标志。

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，乔治·卢卡斯（George Lucas）聘请了 Catmull，他离自己的电影梦又进了一步。之后，Catmull 又聘用了许多致力于将计算图形推向逼真图像的技术人员。在 LucasFilm 基础上，Catmull 及其同事继续着 3D 计算机图形动画的创新，而当时这个行业仍然被传统的 2D 技术所主导。

加入皮克斯，结识 Hanrahan ，开启计算机图形学的黄金时代

天选之人，终究要相遇。

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（Pixar），并让 Catmull 担任皮克斯的总裁。

Pat Hanrahan 就是 Catmull 在皮克斯的第一批员工。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，在加入 Pixar 之前曾在 NYIT 的计算机图形学实验室短暂工作过。

Hanrahan 作为首席架构师，与 Catmull 还有 Pixar 团队的其他成员一起创建了一种新的图形系统的，该图形系统可以使用真实的材质和照明来渲染弯曲的形状。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 的功能将光的反射行为与几何形状分开，并计算了形状上各点的颜色，透明度和纹理。RenderMan 系统还结合了 Catmull 早前在该领域开创的 Z 缓冲和细分曲面技术。

在皮克斯工作期间，Hanrahan 还开发了立体渲染技术，该技术使 CGI 艺术家可以渲染 3D 数据集（例如一团烟）的 2D 投影。Hanrahan 和 Marc Levoy 共同发表了一篇介绍光场渲染的论文，这也是他被引用次数最多的论文。

光场渲染可从任意点生成新视图而无需深度信息或特征匹配，使观看者感觉它们正在穿越真实场景。接着，Hanrahan 开发了使用次表面散射来描绘皮肤和头发的技术，以及使用蒙特卡罗光线追踪绘制复杂光影效果的技术，就是现在所谓的全局光源或 GI。

1990 年，Hanrahan 在 ACM SIGGRAPH 会议上发表了一篇开创性的论文，分享了他对 RenderMan 的研究。然而，要让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》的程度，还需要 5 年的时间。

在 Catmull 的领导下，皮克斯使用 RenderMan 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。

此后，几乎每一部好莱坞电影的CG渲染，都能见到RenderMan的身影。

最近 47 部奥斯卡视觉效果提名影片中有 44 部使用了该软件，包括《阿凡达》、《泰坦尼克号》、《美女与野兽》、《魔戒电影三部曲》、《星球大战前传》等。时至今日，Renderman 仍然是 CGI 视觉效果的标准工作流。

1989 年离开皮克斯后，Hanrahan 在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，他和他的学生扩展了 RenderMan 的规范，使其可以在功能强大的 GPU 上实时工作。Hanrahan 和他的学生开发的 GPU 编程语言促进了 OpenGL 等商业版本的发展，从而彻底改变了视频游戏的编写方式。

GPU 上使用的各种着色语言的流行和多样性，要求 GPU 硬件设计者开发更灵活的体系架构构，这些架构反过来又允许 GPU 在各种计算环境中使用，包括运行高性能计算的算法，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。特别是，Hanrahan 和他的学生开发了一种 GPU 语言 Brook，而 Brook 最终构成了 NVIDIA 的 CUDA。

Catmull 在皮克斯已有 30 多年了，皮克斯后来成为迪士尼动画工作室的子公司。在他的领导下，这些实验室的数十名研究人员发明并发布了很多基础技术（包括图像合成，运动模糊，布料模拟等），这些技术为计算机动画电影和计算机图形学做出了了更大的贡献。

Catmull和Hanrahan有很多相似之处：都曾因其卓越的技术贡献而获得 ACM SIGGRAPH 以及美国电影艺术与科学学院的奖项，都在Pixar待过，都对世界充满了好奇心，都是跨专业天才。以及，都是一副理工直男的形象却在视觉艺术领域做出了巨大贡献。

下一次再看好莱坞大片时，相信你会想起这两位背后的男人。

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