計算機圖形學: 我們的成就與挑戰(一)

01-26

受這個問題( 計算機圖形學是否已進入瓶頸期 )的啟發, 結合了自己與友人的一些討論, 打算把一些自己看過, 聽過, 思考過的問題寫下來, 肯定做不到全面, 歡迎更多的人一起討論, 也希望可以給新進入這個領域的研究者, 這個領域的愛好者, 以及對這個領域有投資興趣的人一些具有參考價值的資料, 因為覺得還會有後續, 所以加了個"(一)"

選擇了這樣一幅題圖, 因為計算機圖形學這個學科, 無非是在和"眼"打交道, 讓計算機來生成圖像, 讓計算機來生成動畫, 讓計算機來從圖像中提取信息, 可以說, 凡是和視覺有關的東西, 都能夠成為這個學科研究的目標.

從誕生以來, 這個學科有了快速和輝煌的發展. 這30年來, 我們所取得的成就:

1. 使得利用計算機程序繪製出肉眼難以分辨的圖像成為了現實.

從最早時候的這樣的圖像,

上圖來自皮克斯的創始人之一卡繆爾博士關於子表面細分演算法的早期研究.

到現在的:

上圖來自維塔數碼製作的影片人猿星球截圖.

計算機圖形技術, 已經讓人類達到了沒有想不到只有做不到. 在這樣一個數字猿猴的製作中, 人類的技術已經能夠達到:

毛髮級別的碰撞檢測與響應, 數以十億記的毛髮, 在維塔的超級計算機和並行碰撞檢測演算法中, 是逐條解算的.
毛孔級的高精度皮膚建模以及渲染.
擺脫蒙皮之流的簡單不真實的製作手法, 從骨骼出發, 靠骨骼運動觸發肌肉形變的有限元模擬, 靠肌肉的形變進而再驅動皮膚運動, 由皮膚的運動進而觸發毛法的碰撞和運動.

並進一步在毛髮上面運行流體解算:

然而這一切的實現, 必須通過人力來逐步設置而完成, 人類現在並沒有辦法, 讓所有的一切, 簡潔地, 自然地, 在計算機程序裡頭完成, 自然界的所有事件的發生, 我們相信是在一條簡單的, 質樸的數學法則驅動之下自然而然達成的, 而人類現在能做到的, 僅僅是將所有的法則拆分開來, 然後在計算機里用針對的程序去完成拆分開來的獨立部分, 然後再拼接起來.

並且完成這麼簡單, 自然的一個過程, 人類所需要的是足球場那麼大的超級計算機幾個星期的運算量.

2. 圖形學這麼多年的發展, 另藝術家創造出更好的作品的可能及體驗獲得了提升:

其一是卡梅隆當年為了拍阿凡達搞出來的虛擬相機系統

他不但創造了阿凡達這本電影, 也創造了現實中的一個"avatar"系統...這得益於計算機視覺技術和計算機硬體的發展, 基於馬克點的 motion capture 技術發展到現在的幾百幀每秒都不是問題, 這樣的系統及其背後的計算機程序, 硬體網路的架設, 從千萬美元級, 到百萬甚至十萬美元級都有可能, 雖然根據需求的不同, 選擇還是受限.

這類技術的挑戰在於目前來說高精度, 高穩定性的需求離不開室內設備的假設, 使得室外拍攝以及民用充滿了挑戰. 它的井噴式發展則必須依賴於計算機視覺技術或計算設備的突飛猛進, 從而提升戶外/無馬克等應用的準確性, 或者降低民用/獨立動畫製作者的使用成本. 然而十分不幸的是, 近年來我們能見到的在計算機視覺方面計算速度或精度的提升率已經越發小了(這是一個提升率減小的提升運動).

其二則是藝術家用以製作動畫的工具和運算速度得到了巨大提升

現在的Disney(迪士尼), 提供給他們的藝術家的動畫工具可謂是科幻級的:

所有的三維建模, 藝術家都能夠在體積這個維度上對他進行 "硬度, 彈性, 壓縮性"等屬性的調整,

使得一個模型真正的是"有骨有肉"的, 這帶來的直接好處就是大大地提升了rigging 後的結果的物理可信度:

簡單地說就是提升了動畫師rigging的效率.

一個動畫模型, 被扔進系統後, 直接就被轉換成了有骨有肉的動力模型, 他的肉和皮膚從此依靠無數的"有限元"小方格來形變, 有限元, 解釋給陌生的讀者聽, 就是一種用來計算以及分析橋樑力學, 航空動力學所用到的計算數學演算法.

動畫師調整過皮肉骨的物理屬性後, 只要直接操控控制人的骨骼, 所有的肉皮的變化就會自然形成, 而且符合物理規則, 而這其中最爽的是: 所有的一切都通過公司內部的伺服器雲計算完成, 藝術家的每一個調控操作並不用等太久.

諸如這樣的系統, 他的問題還是在於運算量太過巨大, 獨立工作室, 個人製作者使用的可能微乎其微 -- 即使你能找到人幫你實現出這樣的系統, 你哪來足球場那麼大的計算機支持你"雲rigging" ?

而這所帶來的挑戰就正是如何把諸如這種等級的物理計算, 通過簡化的物理模型或者結合機器學習演算法而降到民用級? 使得個人或者獨立製作者, 能夠結合便宜的動作捕捉設備, 還算可以的個人電腦, 以及較為簡單卻高效的演算法, 產生出效果不錯的動畫? 特別是將之與遊戲引擎之類軟體的集成, 可以說是應用領域十分有意義的東西.

3. 圖形學研究者對於角色動畫技術的研究, 已經使得基於物理的動畫得到了提升:

對於二足動物的運動物理學研究, 已經使得人們能夠在計算機的虛擬空間內實現出穩定行走的, 由肌肉關節原理控制的, 受限於物理規律的二足動物行走動畫,

這一塊的挑戰固然是, 如何能讓人們得到更簡單的動畫工具, 使得對於給定的角色模型(關節, 肌肉, 形狀), 通過抽象的描述去自動的生成齣動畫????? 而諸如這樣的目的, 則包括了所有上面所闡述的技術的集合.

對於研究者和從業者來講, 我們處於一個前所未有的變化點: 很多傳統的圖形學研究對象和商業空間變得越發狹窄, 然而前有的研究中所總結出來的方法和思路, 必將被我們拿來應用而開闢新天地:

如何能夠將咱們這些計算物理的方法發揮應用到之前觸手所未及的領域裡去: 服裝設計, 皮包設計 -- 就我所知, 這些領域奇缺精準的, 可以量化的設計軟體來降低設計的迭代過程與節省設計所用的材料(回答諸如一塊鱷魚皮需要如何剪裁才能在縫合後達到指定效果這樣的問題) .

如何把動作捕捉, 肌肉模擬, 神經數據分析等結合, 用於精準的物理治療或者產生出更廉價的動作分析器?

如何將利用物理原則產生出來的真實的動畫(包括動作, 表情等)和虛擬現實技術結合, 使用在人類的心裡干預上?

然後我這文章的評論區里驚現一個大美女，知友們可以留意一下。