5月23日，由智譜AI支持，北京市科委、中關(guān)村管委會(huì)科普專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助的系列欄目“科普大佬說(shuō)”首期于A(yíng)I TIME 開(kāi)講，本次講座邀請(qǐng)了來(lái)自中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所的副研究員高林老師，主要內(nèi)容為通過(guò)回顧歷史來(lái)展望未來(lái)——由計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的歷史來(lái)展望元宇宙的未來(lái)。

　　計(jì)算機(jī)圖形學(xué)

　　計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是利用計(jì)算機(jī)研究圖形表示、生成、處理和顯示的學(xué)科，是計(jì)算機(jī)科學(xué)中最為活躍、應(yīng)用最廣的分支之一。

　　計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景

　　計(jì)算機(jī)圖形學(xué)深深地影響了我們的生活。如今大火的“元宇宙”概念，同樣是以圖形學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)而發(fā)展至今的。

　　計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展歷史

　　我們發(fā)現(xiàn)，研究圖形學(xué)的歷史可以從計(jì)算的歷史來(lái)入手，早在計(jì)算機(jī)之前就已經(jīng)有了計(jì)算器。而等到現(xiàn)代意義的電子管、晶體管計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后，人們則開(kāi)始使用打孔卡來(lái)進(jìn)行計(jì)算器輸入。在交互方面，SketchPad光筆交互矢量顯示的出現(xiàn)則為我們展示了新的思路。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究范疇不僅包括通過(guò)計(jì)算機(jī)將圖形計(jì)算和顯示出來(lái)，其中最重要的一點(diǎn)是理解人并與其交互。在工業(yè)發(fā)展中，需要大量的圖紙從二維的平面將物體畫(huà)出來(lái)。這個(gè)步驟需要設(shè)計(jì)師大量的想象能力，而如果交給計(jì)算機(jī)就會(huì)事半功倍。在三維層面完成的維度修改，不僅方便工程師去設(shè)計(jì)，也極大地提高了生產(chǎn)效率。由此可見(jiàn)，幾何建模也是計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程中很重要的部分，具有著劃時(shí)代的意義。

　　然而，僅僅有線(xiàn)條也是不夠的，我們還需要有模型。我們需要營(yíng)造立體感，而這些立體感的營(yíng)造是需要算法實(shí)現(xiàn)的。畢竟，推動(dòng)科學(xué)前進(jìn)的重要因素還是科學(xué)家們的科研成果。這里就不得不提到SIGGRAPH社區(qū)，該社區(qū)的歷史可以追溯到1967年，因舉辦SIGGRAPH會(huì)議而享譽(yù)于世。在最早的計(jì)算機(jī)時(shí)代，交互方式對(duì)使用者非常不友好，一度只能由專(zhuān)業(yè)程序員來(lái)使用計(jì)算機(jī)。這一現(xiàn)象直到施樂(lè)公司提出圖形用戶(hù)界面GUI的概念才最終畫(huà)上了句號(hào)。圖形學(xué)在有了用戶(hù)界面之后也是發(fā)展突飛猛進(jìn)，應(yīng)用范圍也在變得越來(lái)越廣。

　　2019年，Ed Catmull獲得了圖靈獎(jiǎng)。他的代表工作就是對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分建模并進(jìn)行紋理貼圖，進(jìn)行真實(shí)的三維渲染。我們可以看出，圖形學(xué)的發(fā)展同時(shí)也是和工業(yè)、商業(yè)緊密結(jié)合的。提到商業(yè)，我們就要提到一些和圖形學(xué)聯(lián)系緊密的投資家。

　　施樂(lè)公司最早提出了圖形界面，之后喬布斯和蘋(píng)果公司進(jìn)一步研發(fā)了帶有圖形用戶(hù)界面的個(gè)人電腦，極大的推廣了計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍。人們?cè)诓皇褂妹钚械那闆r下也可以使用計(jì)算機(jī)，這也拓展了圖形學(xué)的應(yīng)用范圍。科學(xué)家們同時(shí)在思考，能否用計(jì)算機(jī)建造出三維模型呢？他們希望能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)將當(dāng)前所有的已知物體渲染出來(lái)。貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家Turner Whitted提出了光線(xiàn)跟蹤算法，成功的將三維模型渲染了出來(lái)，讓真實(shí)物體也可以得到渲染。同時(shí)，硬件公司也開(kāi)發(fā)了圖形工作站，幫助人們高效的實(shí)現(xiàn)這些算法。康奈爾大學(xué)基于此開(kāi)發(fā)了大量基于物理的渲染方法，這時(shí)已經(jīng)可以將這些三維模型真實(shí)地渲染出來(lái)。

　　接下來(lái)，喬布斯發(fā)現(xiàn)后續(xù)可以繼續(xù)利用圖形學(xué)去做電影，便找了圖形學(xué)專(zhuān)家Catmull一起投資了Pixar公司。Pat Hanrahan 開(kāi)發(fā)了RenderMan引擎用于離線(xiàn)渲染。喬布斯便將這種技術(shù)應(yīng)用到電影之上，通過(guò)結(jié)合圖形學(xué)的技術(shù)開(kāi)創(chuàng)了時(shí)代的先河。這里同時(shí)也使用了Catmull的網(wǎng)格細(xì)分建模技術(shù)，可見(jiàn)如今的電影也無(wú)一不是與圖形學(xué)技術(shù)結(jié)合的結(jié)果。

　　在工業(yè)時(shí)代，圖形學(xué)也起到了劃時(shí)代的作用，尤其是CAD技術(shù)。波音777的設(shè)計(jì)完全是應(yīng)用的CAD技術(shù)，這也為其省去了大量的圖紙。波音777是第一款完全應(yīng)用CAD技術(shù)生產(chǎn)出來(lái)的民用飛機(jī)。如今的汽車(chē)工業(yè)同樣大量應(yīng)用了CAD技術(shù)，而電影工業(yè)更是離不開(kāi)圖形學(xué)的技術(shù)。然而，運(yùn)營(yíng)圖形工作站所需的條件是個(gè)人所不具備的，因此我們個(gè)人很難在最初接觸到圖形學(xué)的應(yīng)用。獨(dú)具慧眼的NVIDIA公司開(kāi)發(fā)了首個(gè)圖形處理單元GPU，這也標(biāo)志著傳統(tǒng)圖形工作站的市場(chǎng)開(kāi)始走向衰落。

　　進(jìn)入21世紀(jì)，喬布斯再次展示了其優(yōu)秀的才能，顛覆性地革新了交互模式。Iphone 2G這一款全觸控交互手機(jī)的出現(xiàn)使得人們步入了圖形學(xué)與人機(jī)交互的新紀(jì)元。圖形學(xué)在如今科技的發(fā)展中依然扮演著極其重要的角色，2019圖靈獎(jiǎng)就是頒發(fā)給了圖形學(xué)杰出學(xué)者Catmull和Hanrahan。

　　幾何建模的意義

　　幾何建模用于CAD/CAM系統(tǒng)中，高質(zhì)量的幾何建模結(jié)果，應(yīng)用于科技生活的方方面面。

　　幾何建模主要方法

　　基于幾何造型的建模技術(shù)渲染

　　由專(zhuān)業(yè)人員通過(guò)專(zhuān)業(yè)軟件等工具搭建出物體的三維模型。

　　利用激光三維掃描儀

　　能夠自動(dòng)構(gòu)建出物體的三維模型，并且精度很高。

　　幾何建模的發(fā)展歷史

　　在幾何建模領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的研究對(duì)象從最初的Bezier曲線(xiàn)發(fā)展至后續(xù)的NURBS曲面。而在數(shù)字娛樂(lè)如電影、游戲中，離散的多邊形網(wǎng)格也逐漸被廣泛使用，這時(shí)就需要設(shè)計(jì)一些算法對(duì)這些多邊形進(jìn)行處理。另一方面，三維重建也在研究如何通過(guò)激光掃描儀建模真實(shí)的物理世界。在自動(dòng)駕駛中，點(diǎn)云已成為當(dāng)前的主要研究對(duì)象。

　　幾何建模的展望

　　未來(lái)的幾何建模應(yīng)該是更具多樣性的。我們?cè)囍雇磥?lái)，用戶(hù)將能做到個(gè)性化地進(jìn)行3D設(shè)計(jì)并完成三維打印。人們完全可以使用低成本的彩色相機(jī)進(jìn)行三維建模，物理真實(shí)世界也會(huì)漸漸邁向數(shù)字化。

　　計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究?jī)?nèi)容

　　渲染

　　數(shù)字幾何建模后的模型，經(jīng)過(guò)模擬光照、紋理、材質(zhì)等信息處理，而得到視覺(jué)呈現(xiàn)的過(guò)程與結(jié)果。

　　渲染技術(shù)的應(yīng)用

　　高質(zhì)量的渲染，可以合成具有極高真實(shí)感的圖像，在CG與電影行業(yè)、游戲行業(yè)有廣泛的應(yīng)用和深遠(yuǎn)的影響。

　　渲染的研究?jī)?nèi)容發(fā)展歷史

　　渲染如果按照實(shí)時(shí)性區(qū)分，可以分為離線(xiàn)渲染和實(shí)時(shí)渲染。同時(shí)，渲染也有很多種方法。

　　傳統(tǒng)圖形學(xué)的渲染一定需要投影和透視等算法，并且要將其轉(zhuǎn)換成像素，把散點(diǎn)模型轉(zhuǎn)換成光柵。具體方法如下：（1）啟發(fā)式方法：光照模型，效果快但是不真實(shí)；（2）光線(xiàn)跟蹤算法：真實(shí)，但是效果慢；

　　因此，當(dāng)前有大量的研究去提升光線(xiàn)跟蹤的速度。微軟公司更是推出了Direct X來(lái)做模型的加速。2018年，NVIDIA公司取得了一個(gè)重大突破——通過(guò)RTX硬件加速實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)光線(xiàn)跟蹤。這樣，游戲用戶(hù)也能得到和觀(guān)看電影同樣的視覺(jué)效果。

　　渲染與新興技術(shù)的結(jié)合

　　不得不說(shuō)，AI技術(shù)尤其是深度學(xué)習(xí)的突飛猛進(jìn)為我們的生活帶來(lái)了日新月異的變化，同時(shí)很大助力了圖形學(xué)的發(fā)展。

　　計(jì)算機(jī)圖形學(xué)內(nèi)容和意義

　　動(dòng)畫(huà)

　　通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)，模擬2D、3D模型的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，應(yīng)用于游戲的開(kāi)發(fā)，電視動(dòng)畫(huà)制作，電影特技制作，生產(chǎn)過(guò)程及科研的模擬，增添多媒體的感官效果。

　　動(dòng)畫(huà)技術(shù)的分類(lèi)

　　二維動(dòng)畫(huà)：

　　圖像變形

　　形狀混合

　　三維動(dòng)畫(huà)：

　　關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)

　　變形物體的動(dòng)畫(huà)

　　過(guò)程動(dòng)畫(huà)

　　人體動(dòng)畫(huà)

　　智能體行為動(dòng)畫(huà)等…

　　動(dòng)畫(huà)技術(shù)的發(fā)展同樣也是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，由二維的關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)變?yōu)槿S也需要技術(shù)的突破。能否把人的動(dòng)作傳遞給電影中的虛擬形象呢？這就誕生了動(dòng)作捕捉技術(shù)，目前也在動(dòng)畫(huà)片中大量應(yīng)用。

　　在未來(lái)數(shù)字世界之中，我們將很容易的建立虛擬人的形象，同樣需要?jiǎng)赢?huà)技術(shù)的輔助。

　　動(dòng)畫(huà)技術(shù)的發(fā)展歷史

　　動(dòng)畫(huà)技術(shù)的未來(lái)

　　低成本虛擬人，驅(qū)動(dòng)，視頻虛擬人，粒子破碎，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)...

　　人機(jī)交互的發(fā)展歷史

　　人機(jī)交互技術(shù)的應(yīng)用范圍

　　任何一種新交互技術(shù)的誕生，都會(huì)帶來(lái)其新的應(yīng)用人群、新的應(yīng)用領(lǐng)域，并帶來(lái)巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

　　人機(jī)交互技術(shù)的研究?jī)?nèi)容

　　研究人與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間自然高效信息交換的原理與技術(shù)，具體實(shí)現(xiàn)為由多種模態(tài)的輸入輸出軟硬件接口所構(gòu)成的用戶(hù)終端界面，形成特定的交互模式。

　　人機(jī)交互技術(shù)的未來(lái)

　　集成化，智能化，標(biāo)準(zhǔn)化

　　計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)

　　渲染更加真實(shí)化

　　光源、毛發(fā)、動(dòng)作的新建模技術(shù)讓渲染更真實(shí)

　　硬件的發(fā)展讓渲染更快速

　　交互更加多樣化

　　硬件更加小型化、低成本、低門(mén)檻

　　錢(qián)學(xué)森關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)、靈境和元宇宙

　　元宇宙定義

　　一個(gè)平行于現(xiàn)實(shí)世界的虛擬世界

　　現(xiàn)實(shí)世界虛擬化、虛擬世界現(xiàn)實(shí)化

　　是下一代互聯(lián)網(wǎng)，是人類(lèi)未來(lái)的數(shù)字化生存

　　元宇宙前傳：《雪崩》

　　元宇宙概念的提出：

　　1992年，Neal Stephenson的科幻小說(shuō)《Snow Crash》中提出了“metaverse （元宇宙，漢譯本譯為“超元域”）”和 “化身（Avatar）”這兩個(gè)概念。書(shū)中情節(jié)發(fā)生在一個(gè)現(xiàn)實(shí)人類(lèi)通過(guò)VR設(shè)備與虛擬人共同生活在一個(gè)虛擬 空間的未來(lái)設(shè)定中。

　　《 Second Life》 ：第一個(gè)現(xiàn)象級(jí)的虛擬世界，發(fā)布于2003年，擁有更強(qiáng)的世界編輯功能與發(fā)達(dá)的虛擬經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，吸引了大量企業(yè)與教育機(jī)構(gòu)。

　　2021：元宇宙元年

　　2021年，可以被稱(chēng)為“元宇宙”元年。 “元宇宙”呈現(xiàn)超出想象的爆發(fā)力，其背后是相關(guān)“元宇宙”要素的“群聚效應(yīng)”（Critical Mass），近似1995年互聯(lián)網(wǎng)所經(jīng)歷的“群聚效應(yīng)”。                              ——朱嘉明

　　元宇宙的七層要素

　　元宇宙應(yīng)用了大量的區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行去中心化，同時(shí)也離不開(kāi)空間計(jì)算。圖形學(xué)技術(shù)對(duì)UI、引擎等多方面發(fā)揮了重要的作用。

　　元宇宙的發(fā)展情況

　　元宇宙中的圖形學(xué)

　　元宇宙基本要素：人、物和場(chǎng)景

　　數(shù)字內(nèi)容創(chuàng)作的數(shù)量和質(zhì)量決定了元宇宙體驗(yàn)的質(zhì)量

　　基于動(dòng)態(tài)紋理表達(dá)的數(shù)字人生成

核心思想

　　人體紋理特征同時(shí)包含靜態(tài)外觀(guān)信息和動(dòng)態(tài)細(xì)節(jié)特征

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)易于擬合低頻函數(shù)，增加數(shù)據(jù)流形復(fù)雜度有助于高頻信號(hào)的學(xué)習(xí)

　　真實(shí)世界數(shù)字化-NeRFEditing