每一個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”這些物體是真實感圖形研究的目標。然而，圖形越真實，計算復雜度越高，效率也越低。如何實現(xiàn)真實感圖形的高效計算是計算機圖形學研究面臨的重大挑戰(zhàn)。
浙江大學計算機輔助設計與圖形學國家重點實驗室周昆教授領銜的團隊率先開展了GPU架構上的真實感圖形實時計算研究，經(jīng)過十余年不懈努力，首次創(chuàng)建了全GPU運行的真實感圖形繪制流水線，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技術獎勵大會上，這項成果獲得2020年度國家自然科學獎二等獎。
困擾學術界的“老大難”問題
真實感圖形主要研究三維對象表示、建模與繪制的計算原理和方法，是“描繪”三維世界的理論基礎，是信息產(chǎn)業(yè)的核心支撐技術。
計算機圖形學自上世紀60年代誕生以來經(jīng)歷了光柵圖形和真實感圖形的發(fā)展階段。光柵圖形將三維模型轉(zhuǎn)化為深度圖像進行計算，GPU硬件推動了實時光柵圖形技術的發(fā)展應用。然而，真實感圖形計算復雜度高，依賴于CPU, 還局限于非實時應用。到本世紀初，GPU的計算性能逐步超過CPU，如何在GPU上進行真實感圖形實時計算成為學術界和工業(yè)界共同關注的問題。
圖靈獎得主、美國兩院院士、斯坦福大學Pat Hanrahan教授指出：“每個人都意識到將程序轉(zhuǎn)到GPU上運行是一件大事”。相比于CPU擅長復雜的串行計算，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，只能處理類型高度統(tǒng)一的規(guī)則數(shù)據(jù)。而真實感圖形本質(zhì)上是不規(guī)則數(shù)據(jù)的不規(guī)則計算：在表示方面，三維模型由分布不均勻，采樣不規(guī)則的點、線、面構成；在建模方面，從已有三維模型數(shù)據(jù)學習得到的先驗知識通常是不規(guī)則結構；在繪制方面，光線在三維場景中的反射是不規(guī)則計算。如何建立不規(guī)則數(shù)據(jù)結構和計算與GPU規(guī)則并行計算架構之間的高效映射是長期困擾學術界的難題。
“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)結構，真實感繪制計算不規(guī)則，無法全GPU運行真實感繪制流水線。亟待GPU架構上的真實感圖形實時計算理論體系”，周昆介紹說，圍繞這一根本難題，他帶領團隊進行了長達十余年的探索。
解決瓶頸問題 開拓學科新方向
項目組率先開展了GPU架構上的真實感圖形實時計算研究，在十幾年的科研探索中，團隊收獲不斷，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的真實感圖形計算新方向。
在圖形表示方面，發(fā)現(xiàn)了三維模型空間層次結構的分解重組規(guī)律，建立了空間層次結構的數(shù)據(jù)并行計算機制，首次構建了高效存儲和高速訪問的高并行樹狀數(shù)據(jù)結構，提出了曲面重建、光線跟蹤等核心圖形功能的實時并行計算方法；在圖形建模方面，揭示了真實感建模中觀測數(shù)據(jù)與先驗概率的相互作用機理，建立了最大化后驗概率分布的三維建模機制，提出了先驗模型與形變學習融合的智能建模方法；在圖形繪制方面，揭示了真實感圖形繪制中光源、幾何與材質(zhì)的解耦機理，建立了動態(tài)場景繪制的解耦計算模型，提出了動態(tài)幾何與材質(zhì)的預計算實時繪制方法，首次構建了完全運行在GPU上的真實感繪制流水線。
這些研究成果得到了國內(nèi)外學者的廣泛認可，引領了真實感圖形實時計算方向的研究。項目主要工作被評價為首個（the first）、早期工作（initial work）、最初的論文（initial papers）、最好（the best）、最先進（state-of-the-art）等。周昆教授因項目成果當選了IEEE Fellow，獲得了MIT TR35全球創(chuàng)新青年獎、陳嘉庚青年科學獎、浙江省自然科學一等獎，連續(xù)六年入選了Elsevier中國高被引學者。圖靈獎得主Hanrahan教授以及來自微軟、Intel等知名機構的研究人員聯(lián)合署名論文評價項目工作將真實感圖形繪制的整個流水線映射到了GPU，IEEE Fellow、美國加州大學戴維斯分校John Owens教授評價項目研制的繪制引擎的性能比主流商業(yè)軟件提高了一個數(shù)量級，MIT《Technology Review》評價項目成果“實時生成了電影質(zhì)量的圖形”，陳嘉庚青年科學獎評價項目工作“首次展示了以交互級速度實現(xiàn)電影級真實感圖形繪制的可行性，引領了學術界基于GPU的真實感圖形并行繪制的研究方向”。
創(chuàng)新應用 價值顯著
得益于以上理論突破，諸多真實感圖形技術和應用實現(xiàn)了“加速度”，在計算機輔助設計、仿真計算、科學可視化、移動互聯(lián)網(wǎng)等方面得到了廣泛應用。項目團隊解決了國家衛(wèi)星氣象中心全球氣象數(shù)據(jù)高保真實時呈現(xiàn)問題，提升了自主可控CAD 系統(tǒng)繪制性能20余倍，三維實時建模方法已經(jīng)在近1000余家企業(yè)產(chǎn)品中得到應用。
就在今年五月份，周昆團隊為醫(yī)護人員研制的“量臉定制”護目鏡，讓人眼前一亮，正是真實感圖形計算理論的創(chuàng)新應用。該護目鏡通過三維測量每個佩戴者的臉部形狀生成完全貼合的個性化定制，并利用3D打印技術完成生產(chǎn)，解決了護目鏡長時間佩戴的舒適性問題，并能為佩戴者提供更周全的保護。
（文字、攝影 楊蘿蘿/攝像 劉涵）
