编程语言皮克斯大佬推动3D动画发展

我们经常在奥斯卡颁奖礼上感受到皮克斯的力量，但这一次，它的创始成员登上了图灵奖的颁奖台。

昨日，ACM（国际计算机协会）宣布，将 2019 图灵奖荣誉授予两位皮克斯联合创始人、计算机图形学专家 Patrick M. Hanrahan 和 Edwin E. Catmull。这也是继 1988 年 IVAN SUTHERLAND 之后，图形学第二次获得图灵奖。

Edwin E. Catmull 与 Patrick M. Hanrahan 均为皮克斯动画工作室创始成员。Hanrahan 现为斯坦福大学计算机图形学实验室教授。Catmull 不仅参与创立了皮克斯，还曾担任华特 · 迪士尼动漫工作室的总裁，目前已经退休。

据 ACM 官方公告，Catmull 和 Hanrahan 的获奖理由为：「他们在概念创新和软硬件方面的贡献，对计算机图形学产生了根本性的影响。从 25 年前的《玩具总动员》至今，这种由计算机所绘制的全新故事影片为电影制作带来了革命性的影响。」

图灵奖是国际计算机协会（ACM）于 1966 年设立的奖项，专门奖励对计算机事业作出重要贡献的个人，有「计算机界诺贝尔奖」之称，奖金为 100 万美元，由谷歌赞助。图灵奖的名称取自英国数学家、计算机学先驱艾伦·图灵（Alan M. Turing），他奠定了计算机的数学基础和局限性理论。

这一次获奖的 Catmull 和 Hanrahan 二人，将在 2020 年 6 月 20 日于加利福尼亚州旧金山举行的 ACM 年度颁奖宴会上，正式接受奖项颁发和 100 万美元奖金。

在如今全球价值 1380 亿美元的电影行业之中，3D 计算机动画影片是最受欢迎的类型。3D 计算机图形学的发展，对当前热门的电子游戏行业和 VR、AR 等行业都起到了至关重要的作用，而 Catmull 和 Hanrahan 在这一领域做出了开创性的技术贡献，这些贡献至今仍是 CGI 图像开发中不可或缺的一部分。此外，他们在 GPU 方面的见解不仅在计算机图形学方面具备影响力，同时也影响了数据中心管理和人工智能在内的多个领域。

ACM 主席 Cherri M. Pancake 表示：「CGI 图像开发已经改变了电影制作和体验的方式，同时也对更广泛的娱乐产业产生了深远的影响。我们特别高兴大家能够认可 Pat Hanrahan 和 Ed Catmull 做出的成就，计算机图形学是 ACM 协会中最大且最具活力的研究领域之一。Hanrahan 和 Catmull 做出的贡献表明，计算机某个专业领域的进展能够对领域内其他学科产生深远影响。例如，Hanrahan 在 GPU 着色语言方面的研究使得这些语言被用作更广泛领域内的通用计算引擎，包括我自己的高性能计算领域。」

谷歌高级研究员、Google AI 高级副总裁 Jeff Dean 表示：「当今，由于 3D 计算机图形图像无处不在，我们常常忘记该领域的发展情况如何，就像模拟两个人打乒乓球的电子游戏 Pong 一样，两条线中间一个点在动，这也是尖端科技。技术虽然一直在进步，但不得不承认 Hanrahan 和 Catmull 数十年前的研究成果依然是现今该领域的标准惯例，这实在是太厉害了。非常重要的一点是，我们应该认识到 CGI 技术的科学贡献，并让公众了解这门技术会在未来几年对 AR、VR、数据可视化、教育、医学影像等诸多领域产生影响。」

3D 动画电影的开山鼻祖

说到这两位科学家的名字，大家未必觉得耳熟能详，但你绝对看过他们前公司的「作品」。这家公司叫皮克斯，前身是卢卡斯电影公司旗下的工业光魔公司的电脑动画部，1986 年被乔布斯以 1000 美元收购，现在已经成长为全球顶尖的动画电影公司。

这个片头你一定见过很多次。

作为一家动画电影公司，皮克斯开创了一个新的时代。1995 年，该公司上映了世界上第一部 3D 动画电影——《玩具总动员》。在此之后，越来越多的 3D 动画电影问世，点燃了全新的电脑动画工业。

而说到 3D 动画电影背后的技术功臣，不得不提 Edwin E. Catmul 和 Patrick Hanrahan。

Edwin Catmull。

Catmull 1945 年出生于西弗吉尼亚州西北部的帕克斯堡，后移居犹他州。他最初的动画梦想来源于《彼得·潘》和《皮诺曹》等迪士尼电影，甚至曾经自己制作过翻书动画。

但出于现实条件的考量，他最终没有选择在电影界入行，而是利用自己在数学方面的天赋，进入犹他大学学习物理和计算机科学，毕业后曾在西雅图波音公司短暂地担任程序员。

自从 1970 年回到大学攻读研究生开始，Catmull 就确立了「制作一部计算机动画电影」的目标。期间，Catmull 创建了一种通过规范粗粒度多边形网格来表示光滑表面的新方法。此外，在他的博士论文中，Catmull 引入了两种突破性的技术来显示曲面补丁，取代了多边形，它们分别是：管理计算机图形学中图像深度坐标的 Z-buffering；将 2D 表面纹理映射在 3D 对象上的纹理映射（texture mapping）。Catmull 的技术在开发拟真图形学以及消除「锯齿状图形」方面发挥了重要作用。

在离开犹他大学之后，Catmull 成立了纽约理工学院（NYIT）计算机图形实验室，这是美国最早期的专门化计算机图形实验室之一。在那个时候，Catmull 就有着制作动画电影的梦想。

自 1986 年成立以来，皮克斯动画工作室就为观众献上了众多经典的动画电影。

2008 年，Catmull 获得奥斯卡戈登·E·索耶奖（奥斯卡奖的特别奖之一），获奖理由是他在「电脑图形学上的杰出成就对电影行业所作出的贡献」。

与 Catmul 相比，Hanrahan 进入皮克斯的时间要稍晚一些。

Hanrahan 1985 年在威斯康星大学麦迪逊分校获得生物物理学博士学位，随后在 NYIT 计算机图形实验室有过一段工作经历。1986 年，Hanrahan 进入皮克斯担任高级科学家，是 Catmull 在皮克斯招募的第一批员工之一。

在皮克斯就职期间，Hanrahan 与 Catmull 等人一起开发了一种新的图形系统，可以让制作者利用真实的材料属性和光照对弯曲的图形进行渲染。该系统后来被命名为「RenderMan」，这一系统后来被应用于《玩具总动员》、《哈利波特》、《星球大战》等多部皮克斯动画电影的渲染设计。

RenderMan 无疑是好莱坞工业中的标准工具。据统计，在 47 部被提名了奥斯卡最佳艺术特效的电影中，44 部使用了这一工具。它主要帮助计算机生成电影中的视觉特效，从简单的塑料玩具表面纹理到更复杂的物理现象，如皮毛和水花等。

1979 年，执导了星球大战系列电影的著名导演乔治·卢卡斯（George Lucas）聘请了 Catmull，彼时动画电影领域还是以传统 2D 技术为主导，Catmull 及其同事则致力于推动图形学向真实感图像发展。

在 1986 年乔布斯收购卢卡斯营业并将其更名为皮克斯动画工作室后，Catmull 继续出任总裁职位，并推动了一部又一部经典动画电影的诞生，如玩具总动员系列、赛车总动员系列、海底总动员以及寻梦环游记、飞屋环游记等等。

Patrick M. Hanrahan

此外，Hanrahan 还开发了立体渲染技术（olume rendering），该技术可以让 CGI 绘图者渲染 3D 数据集的 2D 投影，比如一缕烟雾。

在他最常被引用的一篇论文中，Hanrahan 介绍了光场渲染。这种技术可以让人产生一种飞过场景的感觉，它从任意点生成新的视角，无需借用深度信息或特征匹配。

Hanrahan 还开发了利用次表面散射（subsurface scattering）描绘皮肤和头发、利用蒙特卡罗光线追踪来渲染复杂照明效果的技术。

1990 年，Hanrahan 在 ACM SIGGRAPH 上发表了关于 RenderMan 的研究论文。然而，当时的计算机硬件并没有达到可以充分利用 Hanrahan 的 RenderMan 系统的水平，所以 5 年之后 3D 电脑动画电影《玩具总动员》才问世。

1989 年，Hanrahan 离开皮克斯，之后在普林斯顿和斯坦福大学担任教职。进入 1990 年代之后，Hanrahan 和他的学生扩展了 Renderman 着色语言，使得其可以在当时刚打入市场的 GPU 上实时运行。Hanrahan 和他的学生为 GPU 开发的编程语言带动了商业版着色语言的开发（包括 OpenGL），从而彻底改变了电子游戏的程序编写。

GPU 上着色语言的广泛性和多样性促使 GPU 硬件设计者开发了更加灵活的架构。这些架构使得 GPU 可用于各种计算环境，包括用于高性能计算应用程序的算法，以及用于在海量数据集上训练 ML 算法等。Hanrahan 和他的学生还发明了 Brook，这是一种用于 GPU 的语言，最终间接导致了 CUDA 的诞生。

在皮克斯的 30 多年间，Catmull 领导实验室的数十名研究人员开发了包括图像合成、运动模糊、布料模拟等多项基础技术，而 Hanrahan 和 Catmull 二人也均以其技术贡献获得过 ACM SIGGRAPH 和美国电影艺术与科学院的奖项。

高级语言的出现使得计算机程序设计语言不再过度地依赖某种特定的机器或环境。这是因为高级语言在不同的平台上会被编译成不同的机器语言，而不是直接被机器执行。最早出现的编程语言之一FORTRAN的一个主要目标，就是实现平台独立。