“产业之光”系列讲座第三讲——图形之旅

2015年12月2日晚，我校“产业之光”系列讲座在张江校区举行。本次讲座嘉宾是来自上海兆芯集成电路有限公司架构设计部高级经理王渊峰博士，他从方位、建模、光影、裁剪、细节五个方面为同学们讲述了计算机图形学日新月异的发展。

首先王博士带同学们走进“建模之旅”。在3D技术的发展带动下，越来越多的电影采用3D合成技术，这就需要用到3D摄影机记录真实人物的表情动作后通过计算机合成为人物动作数据，从而在一系列电影中的虚拟角色、合成角色的脸上和身上再现真实人物的表情和动作，达到极其逼真的效果。

接下来王博士说到“方位之旅”。以游戏的发展历程为例，从最初的2D平面游戏，到后来发展出3D背景、2D贴图以及2.5D的游戏，到如今涌现出的全3D环境的游戏，计算机对3D物体方位的计算已经达到了非常精妙的程度。王博士从数学的角度简要地介绍了计算机如何通过平行变换、透视变换，以矩阵乘法为途径可以完成2D物体升维到3D的过程。每个3D物体的位置变换往往需要庞大的计算过程，得益于计算机计算速度的发展，人们已经可以实现越来越精细的动作过程。

在其后的“光影之旅”中，王博士告诉我们，现今游戏和各种画面光的设计和计算主要有光迹追踪和光栅化两种方法，影的设计和计算则主要有阴影体或阴影贴图。同时，不同的材质、光源也会对光影产生一系列影响，若是想要尽可能真实地还原一个场景，需要综合考虑各个方面，包括环境光的强弱、颜色，反射物质的材质、细节等。综合考虑之后虽然会增加几何倍数的计算量，然而对环境的还原真实度的确会显著提高。

接下来王博士带同学们走进“效率之旅”。效率的提高得益于一系列优化和裁剪。比如说，为了节约计算机游戏画面进行过程中的计算量，需要根据视野对环境画面进行裁剪，去除眼睛看不到的背面内容，因此3D世界中的人物被称为“空心人”，他们的建模过程中从不考虑体内的器官，通过裁剪提高了效率。另一方面，深度遮挡是现今游戏中功劳最大的优化算法之一，通过优化可以使计算机对被较前物体遮挡的背面建筑、纹理进行屏蔽，很大程度上节省了计算成本。

最后，同学们进入“细节之旅”。王博士首先介绍了贴图手法，这是种将事先计算得到的纹理在需要的位置和范围进行贴图，从而无需实时计算需要的效果。纹理之上还可以叠加纹理，从而可以在粼粼水波上叠加阳光效果、在一个类水晶球的物体表面反映出周围的复杂环境。然而贴图也并非毫无成本，对于细节的追求必定会要求越来越精细的构图，还有很大提升的空间。

在讲座最后的提问环节中，王博士和同学们关于游戏和硬件等进行了热烈的讨论。有同学提到，现今图形学的细节对于普通用户来说已经足够，想了解今后还能有什么发展前景。王博士告诉同学们，精密的图形计算其实还有很大的提升空间，特别是对于今后发展热门VR技术而言，计算机图形学仍需要进行大量的细致研究。他说，计算机图形学可谓是计算机科学里“颜值”最高的学科，不同精度的画面图形计算会带来差异巨大的环境效果。今后的图形学有待于青年学者的贡献，希望同学们有兴趣也能投身这方面的研究，共同见证和参与计算机图形学的发展进步。