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  • 微软亚洲研究院院长郭百宁:计算机图形学领域的最新趋势(组图)

    编者按:提到“计算机图形学”,很多人会觉得很遥远,或者与计算机视觉、图像处理等领域相混淆。事实上,计算图形学是一个非常专业的领域,刚刚过了“婴儿期”。随着越来越多的新技术和新硬件的使用,计算机图形学的内涵和外延不断扩展,有非常广阔的探索空间。

    近日,微软亚洲研究院院长洪晓文主持了一场内部炉边对话。与两位计算机图形学专家微软亚洲研究院执行副总裁郭柏宁和首席研究员童欣一起,为大家分享了图形学的故事,探讨了计算机图形学领域的最新动向。本文为您总结了这次对话的一些亮点。

    洪小文:今天我们讨论的主题是计算机图形学。每个人都知道我在做语音研究。我与图形有过三个“密切接触”。我先跟大家分享一下。第一次接触是在我刚从大学毕业时,虽然我从未接触过计算机图形学,但我在学校获得了计算机图形学的助教。计算机图形学对我来说是新的,我没有上过所有相关的课程,但是在计算机和教科书的帮助下,我仍然能够做这个助教的工作。

    在我作为助教的“职业生涯”之后,当我转向其他研究领域时,我几乎没有接触过计算机图形学。1994年,这个话题再次引起了我的注意。我一直以为图灵奖离我很远,但没想到我的博士生导师 Raj Reddy 会在 94 年获得图灵奖。哦!原来图灵奖得主站在我这边。出于好奇,我查看了过去的图灵奖获得者,发现我们的卡内基梅隆大学校友、计算机图形学之父 Ivan Sutherland 也获得了图灵奖。

    萨瑟兰本人有很多出色的研究。1960年代左右,他编写了第一个交互式绘图系统Sketchpad,这也是当今便携式电脑和平板电脑的雏形。后来,犹他大学教授萨瑟兰和他的学生鲍勃·斯普劳尔共同发明了 VR/AR 头戴式显示器。

    除此之外,萨瑟兰还播下了图形遗产的种子。萨瑟兰博士毕业后,他在哈佛待了几年,然后转到犹他大学任教。在犹他大学的 6 年里,他培养了许多学生。这些学生后来展开了各自的分支,为图形的成长做出了不可磨灭的贡献。他们还使犹他大学成为计算机图形学的“强镇”。名副其实的“犹他帮”。

    所谓“不可磨灭”的贡献,就在于这些学生的出色工作。例如,Alan Kay 发明了 Smalltalk 编程语言,并在 2003 年获得了图灵奖;Jim Clark 创建了图形界面浏览器 NetScape(网景),然后创建了第一家图形工作站公司 Silicon Graphics Inc(SGI);罗姆尼制作了第一张 3D 图像;Gouraud 发明了 Gouraud 着色技术……

    事实上,去年的图灵奖获得者 Edwin E. Catmull 也曾在犹他大学学习。毕业后受纽约理工学院创始人之邀主持计算机图形实验室,开创了图形领域的另一座“山”。只是另一个故事。

    我第三次与计算机图形学有深刻的交集是在微软亚洲研究院。郭柏宁和童欣都是计算机图形学领域非常低调的资深研究员,领导了很多前瞻性的研究。我从他们那里学到了很多图形知识。

    言归正传,首先请大家分享一下,Patrick M. Hanrahan 和 Edwin E. Catmull 的贡献是什么?为什么他们会获得 2019 年的图灵奖?

    童欣:对于计算机图形学的研究员获得图灵奖,可能有人会感到惊讶,但这也是有道理的,因为计算机图形学在很多方面都得到了广泛的应用,以至于人们忽略了它。随着近年来VR和AR的蓬勃发展,它正在被更多人重新认识和理解。

    我将人们的生活分为现实世界和想象世界,这两个世界对每个人都同样重要。在整个计算科学应用中,大多数领域都在解决现实世界的问题。只有计算机图形学通过计算机技术充分实现了人类的各种想象,并为此创造了一系列新的艺术表现形式。比如电影中的特效、电脑3D动画长片、3D电脑游戏等等,让想象中的美成为现实,也许这就是他们配得上图灵奖的原因之一。

    Patrick M. Hanrahan 于 2006 年在微软亚洲研究院主办的第八届“21 世纪的计算”国际研讨会上发言

    郭柏宁:去年图灵奖公布的时候,我发邮件祝贺帕特里克。帕特里克的回答非常谦虚。他说,图灵奖表彰图形对科技发展的贡献,不是他自己的功劳,而是大家汗水的结晶。事实上,在图形领域,Patrick 配得上这个奖项。

    严格来说,Patrick 不是计算机科学专业的。在他的博士期间。学习期间,他还研究了生物物理学相关的课题。尽管他在这方面做得很好,但他知道这不是他的“真爱”。只有当他接触到计算机图形学时,Patrick 才发现了他真正的兴趣。当时他正在与 Catmull 一起研究与图形相关的问题,试图使用计算机图形制作电影。最终,在前辈的基础上,他们完成了 RenderMan 图形系统的开发,该系统在皮克斯的许多电影中发挥了关键作用,使 3D 动画越来越逼真。一开始,周围的人都以为他们疯了。今天看,原来他们一直在关注未来。

    在我与 Patrick 的交谈中,他的谦虚也体现在他的代码中。他和我分享了他写的代码,简单而优雅,就像一座美丽的建筑,他就是那个聪明、谦逊的建筑师。因此,当我祝贺他成为图灵奖得主时,他毫不意外地将其归为“集体信用”。

    2006年前后,Patrick曾访问过微软亚洲研究院。他表示,此次访问收获颇丰,打破了他以往对中国人的刻板印象。在那次访问期间,Patrick 向我们的研究员发表了演讲,分享了他的研究技巧,并评论了他认为最重要的论文。那个报告的PPT我还保留着。细节也记忆犹新。

    Edwin E. Catmull 是“犹他帮”的成员,是一位早期研究人员,他通过标准化粗粒度多边形网格创建了一种表示光滑表面的新方法,名为 Catmull Clark,现在也用于动画和电影表面补丁常用于特殊效果。Catmull 的技术在开发逼真的图形和消除“锯齿”方面发挥了重要作用。后来,Catmull 去工业界带领团队研究如何将真人序列和视觉效果结合起来,并将这些突破集成到 Renderman 中,后来成为迪士尼的杰出领导者之一。

    说起犹他帮,就不得不提Evan & Sutherland公司,这家公司是由Sutherland和计算机图形学之父David Evans在犹他大学期间创立的。虽然这家公司很棒,由两位大师创立,并为业界提供了许多顶尖的计算机图形技术,但它在商业层面上并不是很成功。因此,人们总会面临一些失败。不可能在所有地方都取得成功,但在某些地方总会有所成就。

    微软亚洲研究院执行副总裁郭柏宁

    洪晓文:你们两个为什么开始研究计算机图形学?您是如何与微软亚洲研究院建立联系的?

    郭柏宁:我的博士生导师约翰霍普克罗夫特是一个很有远见的人。在他看来,计算机科学研究的一些基本问题已经解决了,所以他建议我从应用层面切入,所以我选择了图形。

    毕业后,我在美国工作。当时有个朋友正在申请加入微软亚洲研究院,希望我能把他推荐给Harry(沉向洋饰)。让我没想到的是,当我联系Harry时,他说微软亚洲研究院也对我感兴趣,希望我能加入。

    认识哈利的人都知道,他总能带来一种亲近感,他说的话总能让别人不由自主地相信。另外,当时Harry在研究所领导的图形研究组的工作非常好,所以我身边的朋友都告诉我这是一个很好的机会,并劝我不要错过。

    计算机哪个专业有学cad_计算机图形学的现状_计算机图形学有必要学吗

    带着进一步了解的心态,我再次联系了哈利。哈利给了我一个我当时无法拒绝的“大蛋糕”。他说:“你在国外做研究,忙了这么多年才发表SIGGRAPH论文。加入我们微软亚洲研究院,我们一起努力,每年都能在SIGGRAPH会议上发表论文。” 熟悉图形的朋友都知道图形领域的顶级会议SIGGRAPH是多么的诱人。

    就这样,我怀着每年发布一个SIGGRAPH的“梦想”来到微软亚洲研究院。

    童心:我上大学的时候,我的个人电脑远没有今天那么强大。显卡是VGA分辨率,不是全彩的。因此,研究人员拥有自己的专用计算机,尤其是高配置的计算机来做图形,是一件非常幸运和自豪的事情。当时,浙江大学拥有CAD与图形国家重点实验室,学生可以使用专用的图形工作站、大而漂亮的显示器进行科研开发工作,并有大量从事图形研究的教师进行教学指导研究。就这样,他在浙江大学本科阶段开始了计算机图形学的学习生涯。后来,我从清华博士毕业后,直接加入了微软亚洲研究院,直到现在。

    微软全球高级副总裁、微软亚太研发集团主席、微软亚洲研究院总裁洪晓文

    洪晓文:SIGGRAPH会议的影响是毋庸置疑的。演讲领域的会议论文接受率在50%左右。但是SIGGRAPH每年只接受70-80篇论文,接受率低于10%,所以我获得了SIGGRAPH一个。论文可以称为里程碑。在 1996 年 SIGGRAPH 会议接受的论文中,微软研究院的论文占了近 20%,因此被称为“微软研究院计算机图形学的黄金时代”,图形学是微软研究院在学术界的影响力。重要学科之一。当时有很多图形大师,包括 Jim Kajiya、Alvy Ray Smith(皮克斯动画工作室的创始人一)、Jim Blinn、Tunner Whitted 等,他们都在微软研究院做研究工作。

    在 SIGGRAPH 2005 上,微软亚洲研究院有 9 篇论文入选,约占会议接受论文总数的 10%。那么,作为第一手体验者,您对 SIGGRAPH 的感受如何?

    郭柏宁:首先,我要强调的一个原则是,你做的研究就是你真正喜欢的。如果你不爱它,你很难做好它。兴趣驱动是至关重要的,并且始终要牢记在心。

    事实上,SIGGRAPH 不仅对图形学领域产生了巨大的影响,还影响了许多其他领域的学者。比如计算机视觉领域的知名学者贾家亚,曾在微软亚洲研究院做访问学者一年半。当有人问他人生中最重要的时刻是什么时候,他的回答是,他在微软亚洲研究院做 SIGGRAPH 的时候,在研究院的经历帮助他学会了如何做高质量的学术研究。

    对我来说,SIGGRAPH 可以算是计算机图形学的“噩梦”级别,因为入门门槛很高。其他会议的论文审稿人只需要2-3个审稿人,但SIGGRAPH有5个审稿人,每个审稿人都会进行非常详细的、好几页的审稿,仿佛把论文打成碎片,逐段“攻击”寻找漏洞,而且语言很犀利。如此严格的审查在其他会议中是非常少见的,但实际上对研究人员的个人提升是非常有益的。

    以我自己为例,我曾经发表过一篇单作者论文,1997年第一次投到SIGGRAPH的时候,我就知道论文有漏洞,但是我把论文写的非常漂亮,巧妙地绕过了漏洞,结果被严重受到审稿人和同行的批评。第二年,带着“修炼魔法,挥剑出宫”的决心,我直接攻破了上年论文的漏洞,追根溯源,最终攻克难关,也得到了大会的认可。之后,我会多次检查论文发表情况,形成自己的检查方式。

    当然,来到微软亚洲研究院之后,我再也不会独自面对这种问题了,因为在研究过程中,我的团队,比如童欣,会对发现的问题进行无情的质疑。其实,刚来微软亚洲研究院的时候,我的第一个项目就是和童心一起工作。我准备的项目文件因为细节问题被童欣“深表批评”。作为童心的领头人,我一直牢记这一点。

    回首往事,我们研究领域的一些人受到审稿人严厉批评的“心理创伤”,并消极对待他人的反馈,但如果你能将反馈视为礼物,消极情绪就会变成积极的。经历了这些洗礼,你不再惧怕任何“底线”,也不会轻易放弃。不断提升自己,证明自己已经成为生活的基本功。

    童欣:顶级会议论文的要求非常高,而且在过程的每一个环节,从最初的论文构思,到写作、结果、图片、视频,再到最终的论文报告,都要不断打磨和反思,超越自己的极限,才能达到更好的水平。当你对你的论文研究感到有点幸运时,肯定会有更好的论文。SIGGRAPH是一个可以开阔眼界,知道外面有人,有天堂的地方。在微软亚洲研究院的第一年,我尽力准备了一份我认为还不错的演示PPT,但是在与会场的其他人比较之后,我发现它真的很粗糙。但是第二年,第三年,我找到了一种方法,让它变得更好,同时提高自己。

    我很喜欢微软亚洲研究院的一个特点,就是在这里工作中人人平等,可以互相批评、纠正、交流和讨论,不管是正式员工还是实习生,都没有。不管是普通员工还是老板,尤其是在讨论技术和研究课题时。当你抛出一个新想法时,每个人都可以发表意见,直言不讳地说出自己的想法,没有好坏,只有真诚。

    微软亚洲研究院首席研究员童欣

    洪晓文:是的,学术辩论本身就是寻找真相,更全面、更辩证地看待一个问题。在计算图形学的黄金时代,微软亚洲研究院开展了一些雄心勃勃的研究项目,例如 Project Trioxide。回头看看,你怎么看?

    童欣:Trioxide项目的初衷是希望Xbox游戏和PC硬件平台上的游戏能够相互兼容,在彼此的平台上运行。当时,没有游戏机制造商可以通过软件做到这一点,包括比尔·盖茨。微软高管希望微软能够探索并引领该领域的技术方向,因此我们与微软雷德蒙德研究院的研究人员一起启动了该项目。CPU部分由微软雷德蒙研究院的工作人员负责,我和陈刚带领微软亚洲研究院的团队开始GPU部分。我们五六个人的团队,完全从零开始学习,坚持了大概两三年,终于做出了一个可以实时运行大型游戏的验证系统。很遗憾,该项目当时因商业考虑而停产,但我们从技术角度扩大了版图,解决了关键问题。事实证明,所有的努力都没有白费。后来,面对激烈的市场竞争,曾经存储的代码发挥了巨大的作用。微软开发者仅用了 6 个月就开发出新的,得到了​​用户的认可。,并在新一代平台上实现上一代Xbox游戏的兼容。就连当时的行业大佬都感叹,不可能在这么短的时间内完成这个项目。微软是如何做到的。事实证明,所有的努力都没有白费。后来,面对激烈的市场竞争,曾经存储的代码发挥了巨大的作用。微软开发者仅用了 6 个月就开发出新的,得到了​​用户的认可。,并在新一代平台上实现上一代Xbox游戏的兼容。就连当时的行业大佬都感叹,不可能在这么短的时间内完成这个项目。微软是如何做到的。事实证明,所有的努力都没有白费。后来,面对激烈的市场竞争,曾经存储的代码发挥了巨大的作用。微软开发者仅用了 6 个月就开发出新的,得到了​​用户的认可。,并在新一代平台上实现上一代Xbox游戏的兼容。就连当时的行业大佬都感叹,不可能在这么短的时间内完成这个项目。微软是如何做到的。就连当时的行业大佬都感叹计算机图形学有必要学吗,不可能在这么短的时间内完成这个项目。微软是如何做到的。就连当时的行业大佬都感叹,不可能在这么短的时间内完成这个项目。微软是如何做到的。

    我从这个项目中学到的是,不要用暂时的挫折或成就来衡量一项研究或你的努力,你永远不知道未来会发生什么,过去的挫折很可能是未来成功的重要因素。另外,我最大的感受之一就是,决定做某事之后,一定要全力以赴。不管你的研发成果是什么,你一定会在这个过程中学到很多,成长。

    郭柏宁:当竞争对手说这是不可能完成的任务时,那可能真的是一个开创性的工作。从不同的时间、不同的角度看事物计算机图形学有必要学吗,会有不同的看法,尤其是在历史长河中看一个研究,Trioxide就是最好的例子。

    洪晓文:您如何看待计算图形学是伪物理学的说法?

    童心:虽然计算机图形里的图片是假的,但里面的数学和计算是真实的,也是对物理世界的精心剪裁的近似模拟。更重要的是,图形的一个重要应用是艺术创作。我们知道,艺术家的想象可以与现实世界完全不同,从而使3D图形超越物理形态,达到更美的状态。这些都是源于现实的、高于现实的觉悟。

    郭柏宁:如果一定要假,那我们是“浅假”,不是“深假”。图形的一个重要应用场景是仿真实验。仿真实验不仅可以大大提高相关研究的可视性和可重复性,而且有助于突破重点难点,提高相关研究的效率。这里有一个有趣的背景:计算机图形学的许多早期研究人员都在物理模拟领域做过真实的模拟实验,尤其是在美苏冷战期间。冷战结束后,许多人转向娱乐业,将他们的技术应用到虚拟世界中。3D 世界虽然看起来是伪物理的,但仍以现实世界为基础。

    洪晓文:在您看来,计算机图形学的发展前景如何?

    童欣:虽然我在图形领域工作了超过25年,但我仍然觉得它很有趣。图形刚刚过了它的婴儿期。随着机器学习技术的使用越来越多,最新图形硬件的应用,以及云服务的出现,计算机图形学的内涵和外延不断扩展。更多的机会会被创造出来,而且还有很长的路要走。所以我对图形的发展和未来充满信心和兴奋!

    郭柏宁:GUI(图形用户界面)的出现改变了整个计算过程。在此之前,没有人想到图形会出现在操作系统中。它走进了每个人的生活,改变了人们的生活。通过界面的概念,图形改变了整个计算方式,而且还在改变着整个计算系统,所以我们也需要更大规模的思考。图形发现的新计算内容,就像哥伦布发现新大陆一样。所以,从这个高度来看,未来的交互可能不仅仅是图形上的面对面,更应该从心出发。-结尾-

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