這兩位把最好年華獻給電影行業的計算機科學家，不僅為今天的好萊塢電影特效技術奠定了基礎，還徹底改變了游戲、虛擬現實和人工智能行業。

CGI技術的先行者獲獎

2019 年，全球電影行業產值達到 1380億美元，全球游戲市場實現 1521 億美元，3D 計算機生成圖像技術在其中不可或缺。

而在未來，虛擬現實、增強現實、數據可視化、教育、醫學圖像等任何一個同視覺相關的領域，CGI 技術都有著重要功能和意義。

1995 年前橫空出世的《玩具總動員》，背后是艾德文·卡特姆和帕特里克·漢拉汗等科學家研究耕耘了二十多年的 CGI 技術。

而《玩具總動員》誕生后的二十五年，CGI技術的應用深刻地影響到了娛樂行業的方方面面，這種影響也將肉眼可見地繼續持續著。

今年3月18日，國際計算機協會公布了2019年圖靈獎的獲獎人，分別是計算機科學家、皮克斯動畫工作室聯合創始人艾德文·卡特姆，以及來自斯坦福大學計算機圖形學實驗室教授帕特里克·漢拉汗。

前者現在是迪士尼動畫退休總裁，后者是斯坦福圖形學教授。

因二人在 3D 計算機圖形學的奠定性貢獻，以及延伸出的 CG 成像技術在電影制作和其他領域的革命性影響，將圖靈獎授予二人。

論文中的兩種技術奠定雛形

卡特姆在他的博士論文中用了兩種開創性的技術來顯示曲面而不是用多邊形：z 緩沖和紋理映射，前者處理圖像深度坐標，后者處理二維表面在三維對象上的紋理映射。

Z 緩沖算法也叫深度緩沖器算法，屬于圖像空間消隱算法，該算法有幀緩沖器和深度緩沖器。

假定xoy面為投影面，z軸為觀察方向，過屏幕上任意像素點（x，y） 作平行于 z 軸的射線 R，與物體表面相交于p1和p2點，p1和p2 點的z值稱為該點的深度值。

z－buffer算法比較p和p2的z值，將最大的z值存入z緩沖器中，顯然p1在p2前面，屏幕上（x，y）這一點將顯示 p1 點的顏色。

算法思想：先將 Z 緩沖器中各單元的初始值置為最小值。當要改變某個像素的顏色值時，首先檢查當前多邊形的深度值是否大于該像素原來的深度值（保存在該像素所對應的Z緩沖器的單元中）。

如果大于原來的z值，說明當前多邊形更靠近觀察點，用它的顏色替換像素原來的顏色。

推動RenderMan圖形系統影響電影產業

70 年代初，師從計算機圖形學的創始人之一伊萬·薩瑟蘭、在猶他大學獲得計算機博士學位的艾德文·卡特姆因他的計算機圖形學研究成果，受邀加入盧卡斯影業。

1972年卡特姆應用自己的技術創作出一部名為“計算機動畫之手”的短片，這是最早的計算機動畫作品之一。

1986年史蒂夫·喬布斯 收購了盧卡斯影業計算機動畫部門，更名為皮克斯，他選擇 卡特姆 擔當動畫公司的總裁。

這時，舊金山威斯康星大學麥迪遜分校年輕的生物物理學學生帕特里克· 漢拉汗決定放棄昆蟲研究，入職皮克斯，與卡特姆搭檔推動計算機圖形學的發展。

漢拉汗在卡特姆和其他同事十多年工作的基礎上，開發出了一個叫RenderMan的圖形系統，漢拉汗 擔任開發團隊的首席架構師。

RenderMan用真實的材質和光影來渲染曲線形狀，電影制作人可以把圖像與真實場景自然融合，產生逼真的動畫效果。

簡單地說，RenderMan就是一個計算機圖像渲染體系，它支持復雜的燈光和著色器，將光反射行為與幾何形狀分開，并計算形狀上各點的顏色、透明度和紋理，同時，RenderMan系統結合了卡特姆提出的Z緩沖和細分曲面創新。

多項技術傍身，這使得通過RenderMan生成的數字圖像比之前的任何圖像都要更真實。

2001年，RenderMan 成為第一個贏得奧斯卡獎的軟件。而在最近獲得奧斯卡金像獎提名的47部電影中，有44部使用了皮克斯的 RenderMan ；其中就包括了《阿凡達》，《泰坦尼克號》，《指環王》三部曲和《星球大戰》系列。

漢拉汗和卡特姆 二人組讓計算機科學技術與娛樂產業的創造力結合在一起，創造出一個又一個視覺奇觀。

同時，RenderMan 圖形系統還授權給了其他公司，《侏羅紀公園》、《終結者 2》、《異形 3》、《阿甘正傳》等著名電影，許許多多經典電影的特效都是基于該系統制作而成。

詹姆斯·卡梅隆的兩部賣座大片《泰坦尼克號》和《阿凡達》使用的都是RenderMan，RenderMan成為CG領域重要的3D渲染軟件，曾兩度獲得奧斯卡科學技術獎。

在RenderMan之外，漢拉汗還開發出了體積渲染技術、廣場渲染概念，完善了表面下散射渲染皮膚和頭發、全局照明、GPU 編程語言等技術。

并基于 Edwin Catmull 研究基礎，他帶領團隊開發了具有跨時代意義的特效渲染標準——RenderMan，用于三維模型并渲染成數字圖像，通俗點說 RenderMan 是電影特效工業中最經典的渲染器。

開發GPU語言編譯器＋數據科學軟件后勁強悍

特別值得一提的，就是漢拉汗和他學生共同開發的GPU語言“Brook”。Brook是一種流編程語言的編譯器，可以將類似C這樣的語言通過編譯器編譯為CG代碼，隱藏了利用圖形學API實現的細節，可以說是大大簡化了開發過程。

而這些著色語言和GPU，就像作用力和反作用力。這些架構的發展反過來讓GPU在各種計算環境下使用，包括運行高性能和機器學習算法。Brook后來就催生了英偉達的CUDA。

就是數據科學和可視化工作中經常會用到的軟件“Tableau”也在隨后被開發出來，它將數據運算與美觀的圖表完美地嫁接在一起，而且非常容易上手，將大量數據拖放到數字“畫布”上，轉眼間就能創建好各種圖表。

影響力也是十足，全球超過42000家客戶通過使用Tableau快速生成所需結果，可以說是遍及各個行業的各類規模企業。

或許正因如此，CRM巨頭Salesforce以157億美元高價收購Tableau，這是Salesforce成立20年歷史上最大的交易，讓漢拉汗成為了億萬富翁。

結尾：

如今，名利雙收的漢拉汗，據說只將20％的時間花在了公司上，重心還在斯坦福大學，依舊致力于計算機圖形學的發展，不變的或許是他的那份初衷：“我認為我們可以把抽象概念、數學和算法轉換成圖像的想法，這是世界上最酷的事情。”
責任編輯：wv