每一個(gè)物體都有自己的形狀與材質(zhì)，它們組成了流光溢彩的真實(shí)世界。如何在數(shù)字世界里逼真地“描述”和“繪制”這些物體是真實(shí)感圖形研究的目標(biāo)。然而，圖形越真實(shí)，計(jì)算復(fù)雜度越高，效率也越低。如何實(shí)現(xiàn)真實(shí)感圖形的高效計(jì)算是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究面臨的重大挑戰(zhàn)。
浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周昆教授領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)率先開展了GPU架構(gòu)上的真實(shí)感圖形實(shí)時(shí)計(jì)算研究，經(jīng)過十余年不懈努力，首次創(chuàng)建了全GPU運(yùn)行的真實(shí)感圖形繪制流水線，形成了貫穿圖形表示、建模、繪制全過程的理論體系。
在日前召開的國家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，這項(xiàng)成果獲得2020年度國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
困擾學(xué)術(shù)界的“老大難”問題
真實(shí)感圖形主要研究三維對(duì)象表示、建模與繪制的計(jì)算原理和方法，是“描繪”三維世界的理論基礎(chǔ)，是信息產(chǎn)業(yè)的核心支撐技術(shù)。
計(jì)算機(jī)圖形學(xué)自上世紀(jì)60年代誕生以來經(jīng)歷了光柵圖形和真實(shí)感圖形的發(fā)展階段。光柵圖形將三維模型轉(zhuǎn)化為深度圖像進(jìn)行計(jì)算，GPU硬件推動(dòng)了實(shí)時(shí)光柵圖形技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用。然而，真實(shí)感圖形計(jì)算復(fù)雜度高，依賴于CPU, 還局限于非實(shí)時(shí)應(yīng)用。到本世紀(jì)初，GPU的計(jì)算性能逐步超過CPU，如何在GPU上進(jìn)行真實(shí)感圖形實(shí)時(shí)計(jì)算成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界共同關(guān)注的問題。
圖靈獎(jiǎng)得主、美國兩院院士、斯坦福大學(xué)Pat Hanrahan教授指出：“每個(gè)人都意識(shí)到將程序轉(zhuǎn)到GPU上運(yùn)行是一件大事”。相比于CPU擅長復(fù)雜的串行計(jì)算，能處理各種不同的數(shù)據(jù)類型，GPU是單指令多數(shù)據(jù)流的大規(guī)模并行架構(gòu)，只能處理類型高度統(tǒng)一的規(guī)則數(shù)據(jù)。而真實(shí)感圖形本質(zhì)上是不規(guī)則數(shù)據(jù)的不規(guī)則計(jì)算：在表示方面，三維模型由分布不均勻，采樣不規(guī)則的點(diǎn)、線、面構(gòu)成；在建模方面，從已有三維模型數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)得到的先驗(yàn)知識(shí)通常是不規(guī)則結(jié)構(gòu)；在繪制方面，光線在三維場景中的反射是不規(guī)則計(jì)算。如何建立不規(guī)則數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和計(jì)算與GPU規(guī)則并行計(jì)算架構(gòu)之間的高效映射是長期困擾學(xué)術(shù)界的難題。
“其根本難題在于：三維圖形數(shù)據(jù)不規(guī)則，缺乏GPU上的圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，真實(shí)感繪制計(jì)算不規(guī)則，無法全GPU運(yùn)行真實(shí)感繪制流水線。亟待GPU架構(gòu)上的真實(shí)感圖形實(shí)時(shí)計(jì)算理論體系”，周昆介紹說，圍繞這一根本難題，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了長達(dá)十余年的探索。
解決瓶頸問題 開拓學(xué)科新方向
項(xiàng)目組率先開展了GPU架構(gòu)上的真實(shí)感圖形實(shí)時(shí)計(jì)算研究，在十幾年的科研探索中，團(tuán)隊(duì)收獲不斷，形成了貫穿圖形表示、建模、繪制全過程的理論體系，開拓了從CPU到GPU的真實(shí)感圖形計(jì)算新方向。
在圖形表示方面，發(fā)現(xiàn)了三維模型空間層次結(jié)構(gòu)的分解重組規(guī)律，建立了空間層次結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)并行計(jì)算機(jī)制，首次構(gòu)建了高效存儲(chǔ)和高速訪問的高并行樹狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提出了曲面重建、光線跟蹤等核心圖形功能的實(shí)時(shí)并行計(jì)算方法；在圖形建模方面，揭示了真實(shí)感建模中觀測數(shù)據(jù)與先驗(yàn)概率的相互作用機(jī)理，建立了最大化后驗(yàn)概率分布的三維建模機(jī)制，提出了先驗(yàn)?zāi)Ｐ团c形變學(xué)習(xí)融合的智能建模方法；在圖形繪制方面，揭示了真實(shí)感圖形繪制中光源、幾何與材質(zhì)的解耦機(jī)理，建立了動(dòng)態(tài)場景繪制的解耦計(jì)算模型，提出了動(dòng)態(tài)幾何與材質(zhì)的預(yù)計(jì)算實(shí)時(shí)繪制方法，首次構(gòu)建了完全運(yùn)行在GPU上的真實(shí)感繪制流水線。
這些研究成果得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛認(rèn)可，引領(lǐng)了真實(shí)感圖形實(shí)時(shí)計(jì)算方向的研究。項(xiàng)目主要工作被評(píng)價(jià)為首個(gè)（the first）、早期工作（initial work）、最初的論文（initial papers）、最好（the best）、最先進(jìn)（state-of-the-art）等。周昆教授因項(xiàng)目成果當(dāng)選了IEEE Fellow，獲得了MIT TR35全球創(chuàng)新青年獎(jiǎng)、陳嘉庚青年科學(xué)獎(jiǎng)、浙江省自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，連續(xù)六年入選了Elsevier中國高被引學(xué)者。圖靈獎(jiǎng)得主Hanrahan教授以及來自微軟、Intel等知名機(jī)構(gòu)的研究人員聯(lián)合署名論文評(píng)價(jià)項(xiàng)目工作將真實(shí)感圖形繪制的整個(gè)流水線映射到了GPU，IEEE Fellow、美國加州大學(xué)戴維斯分校John Owens教授評(píng)價(jià)項(xiàng)目研制的繪制引擎的性能比主流商業(yè)軟件提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，MIT《Technology Review》評(píng)價(jià)項(xiàng)目成果“實(shí)時(shí)生成了電影質(zhì)量的圖形”，陳嘉庚青年科學(xué)獎(jiǎng)評(píng)價(jià)項(xiàng)目工作“首次展示了以交互級(jí)速度實(shí)現(xiàn)電影級(jí)真實(shí)感圖形繪制的可行性，引領(lǐng)了學(xué)術(shù)界基于GPU的真實(shí)感圖形并行繪制的研究方向”。
創(chuàng)新應(yīng)用 價(jià)值顯著
得益于以上理論突破，諸多真實(shí)感圖形技術(shù)和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了“加速度”，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、仿真計(jì)算、科學(xué)可視化、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等方面得到了廣泛應(yīng)用。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)解決了國家衛(wèi)星氣象中心全球氣象數(shù)據(jù)高保真實(shí)時(shí)呈現(xiàn)問題，提升了自主可控CAD 系統(tǒng)繪制性能20余倍，三維實(shí)時(shí)建模方法已經(jīng)在近1000余家企業(yè)產(chǎn)品中得到應(yīng)用。
就在今年五月份，周昆團(tuán)隊(duì)為醫(yī)護(hù)人員研制的“量臉定制”護(hù)目鏡，讓人眼前一亮，正是真實(shí)感圖形計(jì)算理論的創(chuàng)新應(yīng)用。該護(hù)目鏡通過三維測量每個(gè)佩戴者的臉部形狀生成完全貼合的個(gè)性化定制，并利用3D打印技術(shù)完成生產(chǎn)，解決了護(hù)目鏡長時(shí)間佩戴的舒適性問題，并能為佩戴者提供更周全的保護(hù)。
（文字、攝影 楊蘿蘿/攝像 劉涵）
